In der Gruppe der Hämodialyse-PatientInnen besteht ein deutlich erhöhtes Risiko an kardiovaskulären Ereignissen zu versterben. Korrespondierend hierzu weisen Hämodia-lyse-PatientInnen eine erhöhte Prävalenz an linksventrikulärer Hypertrophie (LVH) auf. Diese gilt als starker unabhängiger Risikofaktor für kardiovaskuläre Mortalität. Auf-grund der prognostischen Aussagekraft dient die Bewertung des linksventrikulären Massenindex (LVMI) sowie die Diagnose einer LVH vor allem in prospektiven Studien als ein bedeutendes Werkzeug zur Beurteilung des kardiovaskulären Risikos. Die Be-stimmung der LVH kann anhand von bildgebenden Verfahren (u.a. Echokardiographie, CMRI) oder dem EKG erfolgen. Die CMRI-Messung wird gegenwärtig als Goldstan-dard zur Messung der LVH betrachtet. Die 2D geführte M-mode-Methode der Echokardiographie zur Bestimmung der LVM zeichnet sich durch seine einfache und schnelle Durchführbarkeit aus und wird deshalb trotz präziserer Messverfahren wie dem 3D-Verfahren sowie diverser Einschränkungen weiterhin von der American Society of Echocardiography (ASE) als Screening-Methode und zur Untersuchung großer PatientInnenpopulationen empfohlen. Die empfohlene ASE-Formel überschätzt jedoch den LVMI nachweislich im Vergleich zum CMRI-Messverfahren. Die Überschätzung zeigte sich abhängig von der Höhe des LVMI. Es wird vermutet, dass die zunehmende Überschätzung Folge der geometrischen Grundan-nahmen ist, welche den LV vereinfachend als Ellipsoid mit konstantem L/D-Verhältnis annimmt. Dieses Verhältnis scheint sich jedoch bei zunehmender Herzgröße zu verän-dern, was wiederum zu einer Fehleinschätzung des LVMI führt. Die Teichholz (Th)-Formel korrigiert das L/D-Verhältnis mithilfe einer kurvilinearen Anpassung an den linksventrikulären Durchmesser und zeigte kürzlich in einer PatientInnengruppe mit Aor-tenstenose die geringste Tendenz der Überschätzung bei PatientInnen mit LVH. In der vorliegenden Studie wurden die echokardiographischen Formeln – ASE und Th – mit dem CMRI-Messverfahren verglichen. Beide Formeln zeigten eine deutliche Überschät-zung des LVMI. Die Th-Formel demonstrierte jedoch neben einer besseren Überein-stimmung zum CMRI, eine insgesamt geringere Überschätzung des LVMI sowie eine sukzessive Abnahme der Überschätzung mit zunehmendem LVMI. Zusammenfassend kann festgehalten werden, dass die Th-Formel der ASE-Formel in Bezug auf die Be-rechnung des LVMI bei Hämodialyse-PatientInnen insbesondere bei PatientInnen mit LVH überlegen ist. Weitere Studien sind jedoch erforderlich, um die Th-Formel in grö-ßeren Hämodialyse-PatientInnen-Kohorten mit höheren LVMI-Werten zu testen sowie um den prognostischen Wert der Th-Formel im Vergleich zur ASE-Formel zu ermitteln. Die klassischen EKG-Indices und -Scores zur Feststellung einer LVH wiesen, wie be-reits in anderen CMRI-Vergleichsstudien gezeigt, eine schlechte Sensitivität bei guter Spezifität auf. Aufgrund dessen verlor das EKG zunehmend an Bedeutung als Scree-ning-Untersuchung. In dieser Studie wurde der Versuch unternommen die Sensitivität durch zwei Lösungsansätze zu verbessern, einerseits durch die Kombination verschiede-ner EKG-Kriterien und andrerseits durch eine Adjustierung der EKG-Kriterien an den mittels Bioimpedanz gemessenen Fettmassenanteil. Die Kombination verschiedener EKG-Kriterien erzielte eine deutlich erhöhte Sensitivität von >70 %. Auch die Anpas-sung der EKG-Kriterien an den individuellen Fettmassenanteil könnte ein hilfreicher Lösungsansatz zur Verbesserung der Sensitivität bei Adipositas darstellen. / Left ventricular hypertrophy (LVH) is highly prevalent in patients on hemodialysis. LVH, as measured by the left ventricular mass index (LVMI), is a strong predictor of cardiovascular disease (CVD). Consequently, a reliable and valid method to detect LVH is needed for both clinical and scientific implications. For the assessment of left ventricular mass (LVM), cardiac magnetic resonance imaging (CMR) has been established as the most accurate and reproducible method. However, given its limited availability and high cost, CMR is not practical for clinical use in large-scale clinical studies. In contrast, the two-dimensional (2D) targeted M-mode transthoracic echocardiography (TTE) and ecg is preferred in the clinical context because of its widespread availability, low cost, simple handling, and extensive evidence base. Nevertheless, echocardiographic linear measurement and LVM calculation by cube function formulas have their own limitations. The current recommended formula from the American Society of Echocardiography (ASE) is based on special geometric assumptions, which may become inaccurate in the presence of asymmetric hypertrophy, eccentric remodeling, or distortion of left ventricular (LV) geometry and may lead to an incremental overestimation of LVMI. Teichholz et al. designed a formula that includes a volume-correcting function in order to minimize the error inter alia in patients with LVH. A recent CMR study investigating patients with aortic stenosis demonstrated that the Teichholz (Th) formula had a lower tendency to overestimate the value within a population with increased LVMI. Here, we investigated the performance of two echocardiographic formulas, ASE and Th, in calculating LVMI in patients on hemodialysis. TTE and CMR data for 95 hemodialysis patients who participated in the MiREnDa trial were analyzed. The LVMI was calculated by two-dimensional (2D) TTE-guided M-mode measurements employing the American Societ y of Echocardiography (ASE) and Teichholz (Th) formulas, which were compared to the reference method, CMR. LVH was present in 44% of patients based on LVMI measured by CMR. LVMI measured by echocardiography correlated moderately with CMR, ASE: r = 0.44 (0.34–0.62); Th: r = 0.44 (0.32–0.62). Compared to CMR, both echocardiographic formulas overestimated LVMI (mean ΔLVMI (ASE-CMR): 19.5 ± 19.48 g/m2, p < 0.001; mean ΔLVMI (Th-CMR): 15.9 ± 15.89 g/m2, p < 0.001). We found greater LVMI overestimation in patients with LVH using the ASE formula compared to the Th formula. Stratification of patients into CMR LVMI quartiles showed a continuous decrease in ΔLVMI with increasing CMR LVMI quartiles for the Th formula (p < 0.001) but not for the ASE formula (p = 0.772). Bland-Altman analysis showed that the Th formula had a constant bias independent of LVMI. Both methods had good discrimination ability for the detection of LVH (ROC-AUC: 0.819 (0.737–0.901) and 0.808 (0.723–0.892) for Th and ASE, respectively). The ASE and Th formulas overestimate LVMI in hemodialysis patients. However, the overestimation is less with the Th formula, particularly with increasing LVMI. The results suggest that the Th formula should be preferred for measurement of LVMI in chronic hemodialysis patients. Shown in other CMRI comparative studies the ECG indices and scores for detecting LVH had poor sensitivity with good specificity. Because of this, ECG became increasingly less important as a screening method. To improve the sensitivity by two approaches, on the one hand by combining different ECG criteria and on the other hand by adjusting the ECG criteria to the fat mass measured by bioimpedance. The combination of different ECG criteria achieved a significantly increased sensitivity of >70 %. The adjustment of the ECG criteria to the individual fat mass could also be a helpful approach to improve the sensitivity in obesity.

Dissertation-Publikation.

The aging population requires new and innovative approaches to monitor and supervise medical and physical conditions in residential environments. For this purpose, various sensor and hardware systems are being developed by researchers and industrial companies. One way to monitor health status is the electrocardiogram (ECG), which noninvasively measures heart activity on the body surface. These measurements provide a simple and easy way to monitor health on a continuous basis. However, the use of ECG measurements outside a confined clinical setting, beyond purely medical purposes, is associated with considerable disadvantages resulting from the given freedom of movement. In this work, a substantial noise source in mobile ECG is examined: Motion artifacts. We study the spectral characteristics of motion artifacts for a set of different motions representing everyday activities, namely: standing up, bending forward, walking, running, jumping, and climbing stairs. Furthermore, we investigate to what extent the reference sensors (accelerometer, gyroscope, and skin-electrode impedance) are able to characterize and remove the recorded motion artifacts from the measurements. Our results demonstrate that motion artifacts markedly change their characteristics with a change in motion. While lowintensity movements manifest in lower frequency bands, higher intensity exercises provoke motion artifacts that are much more complex in their composition. These characteristics are correspondingly reflected in the correlation between reference sensors and artifacts. To overcome the drawbacks of motion artifacts in mobile measurements, we propose the application of tensor decomposition using canonical polyadic decomposition (CPD) as an example. A significant advantage of tensor factorization is that it can decompose the data without artificial constraints, unlike matrix factorization. We use CPD along with measurements obtained from different reference sensors to remove the artifacts. Wavelet transformation is utilized to transform ECG and reference data from vector to matrix format. Subsequently, a tensor is constructed by combining the heterogeneous measurements into a three-dimensional tensor. In this way, it is possible to access temporal and spectral features within the data simultaneously. Subsequently, we propose a methodology to predict the decomposition rank based on statistical features in the ECG that quantify the signal quality. To evaluate the performance of the decomposition process, we combine isolated motion artifacts recorded at the back with ECG obtained in rest to generate artificially corrupted data. The results suggest that CPD successfully removes motion artifacts from the data for all reference sensors regarded.

Die vorliegende Studie zeigt erstmals, dass eine erhöhte Ca2+-Empfindlichkeit der kardialen Myofilamente im Tiermodell einen selbstständigen Risikofaktor bei der Entstehung von Herzrhythmusstörungen darstellt. Dies konnte sowohl für chronische Erhöhung der Ca2+-Empfindlichkeit im Rahmen einer Familiären Hypertrophen Kardiomyopathie (FHK) als auch für eine akute Erhöhung mit Hilfe eines Ca2+-Sensitizers gezeigt werden. Die Ergebnisse der Arbeit bieten so eine mögliche Erklärung für plötzlichen Herztod bei bestimmten Patienten mit FHK. Sie schränken weiterhin den Einsatz von Ca2+-Sensitizern ein. Schließlich beleuchten sie einen bisher kaum untersuchten Aspekt in der Arrhythmogenese von Herzinsuffizienz und nach einem Myokard-Infarkt. Auf zellulärer Ebene findet sich ein veränderter Ca2+-Zyklus mit erniedrigten und verlangsamten Transienten. Diese Veränderungen sind wahrscheinlich eine direkte Konsequenz der erhöhten Bindungsaffinität für Ca2+. Die Myofilamente sind „klebriger“ für Ca2+, während der Systole wird mehr Ca2+ gebunden, während der Diastole hingegen dissoziiert es langsamer. Bei adrenerger Stimulation und schnellen Herzfrequenzen mit entsprechender Verkürzung der Diastole kommt es zu erhöhtem diastolischem [Ca2+]i und zu erhöhten Ca2+-Inhalt des Sarkoplasmatischen Retikulums. Der so veränderte Ca2+-Zyklus führt wahrscheinlich mit Hilfe des Na+/Ca2+-Austauschers zu Veränderungen der Repolarisation des Aktionspotentials. Bei schnellen Herzfrequenzen treten Aktionspotential-Verlängerung, Ca2+-abhängige Nachdepolarisationen und getriggerte Schläge auf. Auf Organ-Ebene findet sich eine verkürzte Refraktärzeit. Damit sind sowohl ein Trigger als auch ein arrhythmogenes Substrat für die beobachteten ventrikulären Arrhythmien gegeben. / The present study shows for the first time that increased Ca2+-sensitity of the cardiac myofilaments is an indepent mechanism in the development of cardiac arrhythmias. This could be shown both for chronically increased Ca2+-sensitity in Familial Hypertrophic Cardiomyopathy (FHC) and for acute drug-induced Ca2+-sensitization. The results provide an explanation for sudden cardiac death in certain patients with FHC. Moreover they limit the use of Ca2+-sensitizers. Furthermore they elucidate new aspects in the arrhythmogenesis of important aquired hearts diseases such as heart failure and myocardial infarction. On the cellular level the Ca2+-cycle is altered, Ca2+-transients show a smaller amplitude and slower rate of decay. These changes are probably a direct consequence of the increased Ca2+-puffering capacity. The myofilaments are “sticky” for Ca2+, durig systole more Ca2+ is bound while the dissociation during diastole is decelerated. With adrenergic stimulation and faster frequencies there is an increased diastolic [Ca2+]i and subsequently an Ca2+-overloading of the Sarcoplasmatic Reticulum. These changes in the Ca2+-cycle cause remodelling of the action potential repolarisation via the Na+-Ca2+-exchanger. At fast frequencies one finds action potential prolongation, Ca2+-dependent afterdepolarisations and triggered activity. On the organ level Ca+-sensitized hearts show a shortened refractory period. Thus there is both trigger and substrate for the observed ventricular arrhytrhmia.

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