Electrocardiographic assessment of repolarization
heterogeneity
Hooft van Huysduynen, Bart
Citation
Hooft van Huysduynen, B. (2006, June 8). Electrocardiographic assessment of repolarization heterogeneity. Retrieved from
https://hdl.handle.net/1887/4430
Version: Corrected Publisher’s Version
License: Licence agreement concerning inclusion of doctoralthesis in the Institutional Repository of the University of Leiden
Downloaded from: https://hdl.handle.net/1887/4430
Chapter 8
Chapter 1 is a general introduction into the central theme of this thesis; the elec-trocardiographic assessment of repolarization heterogeneity. The term repolarization heterogeneity refers to differences in repolarization instants in the heart. Normally, repolarization in the human heart is a relatively smooth, continuous process, dur-ing which adjacent areas repolarize almost simultaneously. Several drugs or cardiac diseases may disturb the repolarization and thus increase the repolarization hetero-geneity, which predisposes to arrhythmias. A non-invasive index able to assess this repolarization heterogeneity would have great clinical value. The standard 12-lead electrocardiogram (ECG) is attractive for this purpose as it is widely used and re-flects repolarization heterogeneity: the morphology and duration of the T wave in the ECG depend on differences in the repolarization instants of the ventricular myo-cardial cells. The exact pattern of the normal repolarization in the human heart is still not precisely known. Several mapping and vectorcardiographic studies suggest that transmural (perpendicular to the myocardial wall) and paramural (along the ventricular walls) repolarization differences determine the normal morphology of the T-wave. Different electrocardiographic measures of T-wave morphology reflect different characteristics of cardiac repolarization, which defines their suitability to assess repolarization heterogeneity, as extensively discussed in this chapter.
In Chapter 2 a mathematical ECG model is used to simulate the behavior of various ECG indices of ventricular repolarization with increasing repolarization heterogene-ity. A stepwise increase in repolarization heterogeneity caused the T-wave amplitude and -area to increase and led to a more symmetrical T wave. Tapex-end interval and T-wave complexity had some limitations but also adequately reflected the repolar-ization heterogeneity. However, QT dispersion had low sensitivity in the transitional zone between normal and abnormal repolarization heterogeneity.
Summary and conclusions
heart rate. Compared with the normotensive stress of leg lowering, the hypertensive stress of the handgrip manoeuver caused a larger QT interval, no significantly dif-ferent QT dispersion, a larger Tapex-Tend interval and a larger T wave complexity. These results suggest that a hypertensive stressor increases repolarization heteroge-neity, which could explain the increased arrhythmogeneity associated with hyperten-sive stress as observed by others.
During exercise the heart is influenced by strongly varying amounts of parasympa-thetic and sympaparasympa-thetic outflow, possibly leading to changing amounts of repolariza-tion heterogeneity. In Chapter 4 we describe how we studied the electrocardiograms of healthy males of varying fitness levels from professional marathon speedskaters to untrained subjects. Within individuals we compared electrocardiograms with equal heart rates obtained during exercise and during recovery. During recovery, QT was smaller, while T-wave amplitude was larger, and the T-wave became more sym-metric. Also, the ventricular gradient, which is a measure of APD heterogenity, was larger during recovery, while the QRS complex remained unchanged. The changes in T-wave amplitude, T-wave symmetry and ventricular gradient, together with an identical QRS complex, are all consistent with increased repolarization heterogeneity during recovery, caused by increased APD heterogeneity. The fittest among the study group, with the largest maximal oxygen consumption, the largest hearts, and the highest baroreflex sensitivity had much more outspoken electrocardiographic exer-cise-recovery differences than the low fit subjects. Possibly, our study may contribute to the explanation of sudden death after exercise.
Chapter 8
T-wave amplitude and T-wave area decreased, which could by potentially anti-ar-rhythmic. When dividing the group in patients with and without severe ventricular arrhythmias, the optimal discriminator of patients with arrhythmias was a QRS > 160 ms. No severe arrhythmias were found in patients with QRS-T angle < 100°, QT dispersion < 60 ms, T-wave complexity < 0.30 or a RV EDV < 220 ml.
In Chapter 7 we describe the effects of different pacing modes of cardiac resyn-chronization devices on electrocardiographic indices of the repolarization. Previous studies had suggested a detrimental effect of epicardial left and biventricular pacing on the transmural heterogeneity of the repolarization, causing arrhythmias in vulner-able patients. Our patient and simulation study showed that, except for a small region close to the stimulation electrode, transmural heterogeneity of the repolarization was not larger during epicardial left and biventricular pacing than during conventional endocardial right ventricular pacing. The different behavior of the electrocardio-graphic repolarization indices during the different pacing modes could be explained by the repolarization patterns caused by the slowly progressing activation wave front spreading from the different pacing sites. Thus, electrocardiographic indices of the repolarization were related to the global pacing-induced repolarization patterns rather than to local transmural heterogeneity of the repolarization.
Nederlandse samenvatting
Hoofdstuk 1 is een algemene introductie van het centrale thema van de thesis; de electrocardiografische inschatting van repolarisatie heterogeniteit. Repolarisatie het-erogeniteit weerspiegelt de verschillen in de repolarisatie-tijdtippen in het hart. In het gezonde menselijke hart is de repolarisatie een gelijkmatig proces dat vrijwel gelijktijdig plaatsvindt in naast elkaar gelegen delen. Verschillende medicamenten en ziektes kunnen de repolarisatie echter verstoren en verschillen in repolarisatietijd ver-groten. Een toegenomen repolarisatie heterogeniteit predisponeert tot ventriculaire aritmieën. Een niet-invasieve test op repolarisatie heterogeniteit heeft potentieel een grote waarde om patiënten op te sporen met een verhoogd risico op aritmieën. Het electrocardiogram (ECG) wordt veel gebruikt en weerspiegelt de repolarisatie het-erogeniteit; de morfologie en duur van de T golf in het ECG worden bepaald door verschillen in repolarisatie van de myocardcellen.
Het exacte patroon van de normale menselijke repolarisatie is nog niet helemaal bekend. Verschillende mapping studies en beschouwing van de vectorcardiografie suggereren dat transmurale (haaks op het oppervlakte van de ventrikelwand) en paramurale (parallel aan de ventrikelwand) repolarisatieverschillen de normale morfologie van de T golf bepalen. Verschillende electrocardiografische maten van de T golf reflecteren verschillende karakteristieken van de cardiale repolarisatie, hetgeen hun geschiktheid bepaalt om repolarisatie heterogeniteit in te schatten, zoals uitgebreid wordt besproken in dit hoofdstuk
.
In Hoofdstuk 2 wordt een mathematisch ECG simulatie model gebruikt om de gevolgen van een vergroting van de repolarisatie heterogeniteit op de verschillende ECG indices van de repolarisatie te meten. Een stapsgewijze vergroting van de re-polarisatie heterogeniteit veroorzaakte een vergroting van de T-golf amplitude en oppervlakte en een meer symmetrische T-golf. Behoudens enkele tekortkomingen, werd de toegenomen repolarisatie heterogeniteit ook tot uiting in een verlengd Ta-pex-Teind interval en een vergrote T-golf complexiteit. QT dispersie daarentegen, had een lage sensitiviteit in de overgangszone tussen een normale en abnormale re-polarisatie heterogeniteit.
Manipulatie van het parasympathische en sympathische zenuwstelsel veroorzaakt
niet-uniforme veranderingen in actie potentiaal duur (APD). Dergelijke manipu-laties kunnen worden gebruikt om de repolarisatie heterogeniteit te beïnvloeden. Hoofdstuk 3 beschrijft de effecten van een normotensieve stressor (leg-lowering) en een hypertensieve stressor (handgrip) op de repolarisatie van gezonde mannen. Tijdens leg-lowering neemt de hartfrequentie toe met de hoek waarin de benen van de proefpersoon worden gepositioneerd. Van elke proefpersoon werd het ECG tijdens leglowering geselecteerd waarvan de hartfrequentie het meest overeenkwam met de hartfrequentie tijdens de handgrip procedure. Vergeleken met de normoten-sieve stress van leglowering, resulteerde de hypertennormoten-sieve stress van handgrip in een langer QT interval, geen significant verschil in QT dispersie, een langer Tapex-Teind interval en een grotere T-golf complexiteit. Deze resultaten suggereren dat hyperten-sieve stress de repolarisatie heterogeniteit vergroot, hetgeen de eerder geobserveerde associatie tussen hypertensieve stress en arrhythmogeniciteit zou kunen verklaren. Tijdens lichamelijke inspanning staat het hart onder invloed van variërende ho-eveelheden sympatische en parasympatische invloeden, hetgeen kan leiden tot een variatie in repolarisatie heterogeniteit. In Hoofdstuk 4 wordt de invloed van ins-panning op de electrocardiografische repolarisatie beschreven. De mannelijke pro-efpersonen varieerden in fitheid van ongetrainde propro-efpersonen tot professionele marathon schaatsers. De repolarisatie tijdens tijdens inspanning en herstel werd in-tra-individueel met elkaar vergeleken in ECGs met dezelfde hartfrequentie tijdens inspanning en herstel. Tijdens de vroege herstelfase was het QT interval korter, de T-golf amplitude groter en werd de T golf symmetrischer. Tevens was de ventricu-laire gradient, een maat voor de APD heterogeniteit, groter tijdens de herstelfase. De veranderingen in de T-golf amplitude, T-golf symmetrie en de ventriculaire gra-dient duiden op een toegenomen repolarisatie heterogeniteit tijdens de herstelfase. De fitste proefpersonen, diegenen met het hoogste maximale zuurstof verbruik, de laagste rust-hartfrequentie, de grootste harten en de grootste baroreflex sensititviteit, hadden grotere inspanning-herstel verschillen in de repolarisatie dan de minst fitte proefpersonen. Wellicht zouden deze resultaten bij kunnen dragen aan de verklaring van een toegenomen risico op plotse dood na inspanning.
In Hoofdstuk 5 worden de electrocardiografische effecten beschreven van pulmo-naal klep vervanging in patiënten met tetralogie van Fallot met gedilateerde rechter ventrikels. Pulmonalisklep insufficiëntie kan in Fallot patiënten dilatatie van rechter
ventrikel en verlenging van de QRS duur veroorzaken. In deze patiëntengroep is de QRS duur voorspellend voor ventriculaire aritmieën en plotse dood. Wij ontwik-kelden en gebruikten een interactief ECG analyse programma dat de QRS duur heel nauwkeurig kan meten en vonden dat pulmonaalklepvervanging resulteerde in een verkorting van de QRS duur. Het structurele succes van de operatie, gemeten als een afname van het rechter ventrikel eind-diastolische volume, was gerelateerd aan de verkorting van de QRS duur.
In Hoofdstuk 6 breidden we deze analyse uit met een studie naar electrocardio-grafische repolarisatie. Door pulmonaalklep vervanging verkleinde de QRS-T rui-mtehoek, de T-golf amplitude en de T-golf oppervlakte, wat een afgenomen ven-triculaire repolarisatie heterogeniteit suggereert. De QRS duur bleek de optimale maat om patiënten met aritmieën te onderscheiden van patiënten zonder aritmieën. Echter, patiënten met een QRS-T hoek < 100°, QT dispersie < 60 ms, een T-golf complexiteit < 0.30 of een rechter ventrikel eind-diastolisch volume < 220 ml hadden geen ernstige ventriculaire aritmieën.
In Hoofdstuk 7 worden de effecten van verschillende pacing modaliteiten van car-diale resynchronisatie therapie op de electrocardiografische repolarisatie beschreven. Eerdere studies suggereerden een electrocardiografisch meetbare vergroting van de transmurale repolarisatie heterogeniteit door epicardiaal links- en biventriculair pacen, waardoor aritmieën zouden ontstaan in kwetsbare patiënten. Onze patiënt- en simulatie studie liet zien dat, behalve in een klein gebied direct onder de pacing electrode, de transmural repolarisatie heterogeniteit niet groter was tijdens epicar-diaal links- en biventriculair pacen dan tijdens conventioneel endocarepicar-diaal rechts ventriculair pacen. De waargenomen verschillen in de electrocardiografische T-golf tijdens verschillende pacing modi konden worden verklaard door de repolarisatie patronen die grotendeels bepaald werden door de activatie patronen die zich relatief traag verspreiden vanaf de pacing electrodes. De electrocardiografische repolarisatie tijdens pacen bleek niet gerelateerd te zijn aan de lokale transmurale repolarisatie heterogeniteit maar aan de pacing-geïnduceerde globale repolarisatie patronen. Concluderend laten mathematische simulaties zien dat een toegenomen repolarisa-tie heterogeniteit in normaal geëxciteerde harten wordt weerspiegeld in veranderin-gen in de T-golf amplitude, T-golf oppervlakte, T-golf symmetrie en, met enkele
restricties, T-golf complexiteit en Tapex-eind interval. Onze metingen in gezonde proefpersonen suggereren dat hypertensieve stress de repolarisatie heterogeniteit ver-hoogt. Onmiddellijk na inspanning is de repolarisatie heterogeniteit het grootst. Pul-monaalklep vervanging in Fallot patiënten verkort de QRS duur en vermindert de repolarisatie heterogeniteit. Links ventriculair pacen in hartfalen patiënten leidt tot vergelijkbare effecten op de repolarisatie heterogeniteit als tijdens conventioneel re-chts ventriculair pacen. Lokale transmurale repolarisatie heterogeniteit kan niet wor-den afgemeten aan het ECG omdat de T-golf morfologie in deze patiënten wordt bepaald door pacing-geïnduceerde globale repolarisatie patronen.
Dankwoord
Tijdens mijn promotie heb ik het merendeel van mijn tijd in “De Tuin” gezeten. In deze tuin is geen plant te bekennen, maar wel zo’n 15 collega’s. Behalve dat deze groep maakt dat je met plezier naar je werk gaat, leer je ook van elkaar zodat je niet het wiel opnieuw hoeft uit te vinden.
Hedde en Harmen, bedankt voor het ‘managen’ van de data en de ontwikkeling van LEADS. Arie, bedankt voor je hulp bij het omzetten van ECGs en Holters. Annelies en Louisa voor metingen en analyses.
Henk Ritsema van Eck voor inspiratie en wetenschappelijke discussie. Jan Kors en Ge van Herpen voor commentaar en lering over het electrocardiogram.
De Leiding van de afdeling cardiologie voor het mogelijk maken van congresbezoek-en, waar ik plezier heb gehad en veel internationale ervaring heb opgedaan.
Linda, Lya, Talitha, Saskia en Esther, voor jullie hulp in de wereld van formulieren, statussen en afspraken. Renee voor de hulp bij de inspanningstesten van de proef-personen.
Marike, voor je adviezen, hulp en luisterend oor.
Sander en Sven, paranimfen, met zijn drieën hebben we er een mooie tijd van ge-maakt en dat zullen we nog lang blijven doen, “Eén voor allen, allen voor één!”. David en PartyBarty voor de gezelligheid buiten de afdeling cardiologie.
Lieve pa en ma en Thijs, bedankt voor jullie liefde en ondersteuning die niemand anders kan geven.
