Abstract Based on experimental studies, heterogeneous ventricular repolarization has been suggested to predispose to the onset of life-threatening ventricular arrhythmias and subsequent studies in various patient populations have associated it with poor clinical outcome. The aim of this study was to assess the dynamics of ventricular repolarization from electrocardiogram (ECG) during a standard exercise stress test with techniques based on principal component analysis, and to investigate whether they would yield valuable prognostic information on cardiac mortality and sudden cardiac death. Exercise ECG recordings from 40 healthy men and women were analyzed in order to establish normal dynamics and rate-dependence for the spatial QRS/T angle and total cosine R to T (TCRT), which reflects the spatial deviation between the depolarization and repolarization wave-fronts. Subsequently, exercise ECG recordings from 20 patients with previous myocardial infarction (MI) were compared with 20 controls in order to assess the modulation of previous MI on the dynamics of TCRT. The prognostic value of abnormal dynamics and rate-dependence of TCRT and spatial QRS/T angle were assessed in 1,297 patients referred to a clinically indicated exercise stress test. The spatial QRS/T angle and TCRT were found to be significantly rate-dependent during both exercise and recovery periods as TCRT and the cosine of the spatial QRS/T angle decreased at higher heart rates (HR), indicating increase in the global heterogeneity of the ventricular repolarization. In the post-MI group, the dynamics of TCRT were impaired with a significantly lower rate-dependence in contrast to the healthy and control groups. In the study cohort, impaired rate-dependence of TCRT during both exercise and recovery periods was an independent predictor of cardiac and sudden cardiac death during the follow up of the study. Similarly, reduction of the area between the exercise and three-minute recovery TCRT/HR curves was associated with an increased risk of cardiac and sudden cardiac death. In conclusion, dynamics and rate-dependence of TCRT and spatial QRS/T angle are able to discriminate subjects with an increased risk of cardiac and sudden cardiac death. Reduced rate-dependence of TCRT during exercise and recovery periods, as well as decreased exercise-recovery hysteresis of TCRT, are significant predictors of cardiac and sudden cardiac death. / Tiivistelmä Sydämen kammioiden poikkeavan palautumisen on kokeellisissa tutkimuksissa havaittu altistavan kammioperäisille rytmihäiriöille. Lisäksi, useat tutkimukset erilaisissa potilasaineistoissa ovat osoittaneet sen olevan yhteydessä heikkoon kliiniseen ennusteeseen. Tämän työn tarkoituksena oli analysoida sydämen kammioiden repolarisaation dynamiikkaa sydänsähkökäyrästä (EKG) rasituskokeen aikana pääkomponenttianalyysiin perustuvilla menetelmillä sekä tutkia, ennustavatko uudet muuttujat sydänperäistä kuolemaa tai sydänperäistä äkkikuolemaa. Neljänkymmenen terveen miehen ja naisen rasitus-EKG:t analysoitiin depolarisaatio- ja repolarisaatioaaltojen välistä avaruudellista kulmaa kuvaavan ’total cosine R to T’:n (TCRT) sekä kolmiulotteisen QRS/T-kulman dynamiikan sekä sykeriippuvuuden normaaliarvojen määrittämiseksi. Lisäksi, vertailtiin 20 sydäninfarktin sairastaneen sekä 20 kontrollipotilaan rasitusmittauksia aiemman infarktin TCRT:n dynamiikkaan sekä sykeriippuvuuteen aiheuttaman modulaation määrittämiseksi. Muuttujien poikkeavan dynamiikan ennustearvoa testattiin 1297 rasitus-EKG-mittaukseen lähetteen saaneella potilaalla. Sekä TCRT että avaruudellisen QRS/T-kulman kosini olivat molemmat erittäin sykeriippuvaisia sekä rasituksessa että palautumisessa. Molemmat muuttujat pienenivät sykkeen (HR) kasvaessa, osoittaen kammioiden repolarisaation heterogeenisyyden kasvua korkeammilla syketaajuuksilla. Sydäninfarktin sairastaneilla potilailla muuttujien dynamiikka ja sykeriippuvuus olivat heikentyneitä. Kohorttiaineistossa heikentynyt sykeriippuvuus sekä rasituksen että palautumisen aikana ennustivat myöhempää sydänperäistä kuolemaa sekä sydänperäistä äkkikuolemaa itsenäisesti. Vastaavasti, rasituksen ja kolmen minuutin palautumisen aikaisten TCRT/HR kuvaajien väliin jäävän pinta-alan pienentyminen oli yhteydessä korkeampaan sydänperäisen kuoleman sekä sydänperäisen äkkikuoleman riskiin. Kammioiden repolarisaation dynamiikkaa kuvaavat muuttujat pystyvät erottelemaan potilaat, joilla on korkeampi riski kokea sydänperäinen kuolema tai sydänperäinen äkkikuolema. Poikkeavan alhainen sykeriippuvuus rasituksen ja palautumisen aikana sekä alentunut rasituksen ja palautumisen välinen hystereesi olivat merkittäviä sydänperäisen kuoleman sekä sydänperäisen äkkikuoleman ennustajia.

Abstract Sudden cardiac death (SCD) is a major medical and public health concern responsible for 50% of cardiovascular deaths and as much as 15% to 20% of overall mortality. Coronary heart disease is the underlying cause of most of these deaths, and in 50% of such cases, SCD is the first manifestation of the disease. Researchers have investigated numerous noninvasive methods to more accurately identify individuals at high risk of SCD, but most such studies have focused on patients with specific heart disease. The standard 12-lead electrocardiogram (ECG) is a widely available tool to analyze the electrical activity of the heart, but few epidemiological studies have successfully identified specific electrocardiographic risk markers of SCD at the population level. This thesis aims to clarify the prognostic implications of several ECG patterns in the general population. We evaluated the 12-lead ECGs of 10899 middle-aged Finnish subjects (52% male) recorded between 1966 and 1972, and followed the subjects for 30 ±  11 years. The prevalence of a prolonged QRS duration ≥ 110 ms and nonspecific intraventricular conduction delay (IVCD; defined as QRS ≥ 110 ms with no partial or complete bundle branch block) in the population was 1.3% and 0.6%, respectively. Both were significantly associated with an elevated risk of all-cause mortality and cardiovascular mortality. QRS duration ≥ 110 ms doubled the risk of SCD, and IVCD was associated with a three-fold higher risk of SCD. Two percent of the subjects presented with wide frontal QRS-T angle ≥ 100° (the angle between the QRS axis and the T-wave axis in the frontal plane). A wide QRS-T angle was associated with higher overall mortality and more than doubled the risk of SCD, which was mainly due to an abnormal T-wave axis. Inverted T-waves in the right precordial leads (V1–V3) or beyond were present in 0.5% of the population. No increase in mortality or SCD was associated with right precordial T-wave inversions. In contrast, inverted T-waves in other leads than V1–V3 were associated with higher risk of cardiovascular mortality and SCD. Altogether 2.1% of the study participants presented with a prolonged PR interval > 200 ms. No rise in overall mortality, SCD, or hospitalizations due to heart failure, atrial fibrillation, or stroke was observed among these subjects during the follow-up period. In conclusion, of the electrocardiographic parameters studied, prolonged QRS duration, IVCD, and wide QRS-T angle are associated with SCD in the general population, and such changes in an ECG should therefore alert the physician to more closely evaluate and follow the patient. On the other hand, a prolonged PR interval and right precordial T-wave inversions seem to have no prognostic implications in the absence of other features suggestive of underlying heart disease. / Tiivistelmä Sydänperäinen äkkikuolema on yleisin kuolinsyy länsimaissa, missä puolet sydänkuolemista ja 15–20 % kokonaiskuolleisuudesta johtuu äkillisestä sydänpysähdyksestä. Sepelvaltimotauti on yleisin taustalla oleva syy, ja jopa puolessa sepelvaltimotautikuolemista äkkikuolema on taudin ensimmäinen oire. Jo pitkään on yritetty kehittää menetelmiä, joilla voitaisiin tunnistaa suurimmassa äkkikuoleman vaarassa olevat. 12-kanavainen EKG on laajalti käytössä oleva tutkimus, jolla tutkitaan sydämen sähköistä toimintaa, mutta sydänperäistä äkkikuolemaa spesifisti väestössä ennustavia EKG-poikkeavuuksia ei ole juuri pystytty osoittamaan. Tämän väitöskirjatyön tarkoituksena oli tutkia, miten EKG:ssä nähtävät ilmiöt kuten QRS kompleksin kesto, QRS-kompleksin ja T-aallon välinen kulma, kääntyneet T-aallot sekä PR-aika korreloivat ennusteeseen väestötasolla. Tutkimme 10899 suomalaisen keski-ikäisen henkilön (52 % miehiä) EKG:t, jotka oli rekisteröity 1966–1972, ja seurasimme tutkittavia keskimäärin 30 (± 11) vuotta. Leventynyt QRS kompleksi ≥ 110 ms löytyi 1.3 %:lta ja epäspesifi kammionsisäinen johtumishäiriö eli IVCD (QRS ≥ 110 ms ilman osittaista tai täydellistä haarakatkosta) 0.6 %:lta tutkituista. Molemmat muutokset liittyivät lisääntyneeseen kokonaiskuolleisuuteen sekä sydänkuoleman riskiin. QRS kompleksin kesto ≥ 110 ms assosioitui lisäksi kaksinkertaiseen ja IVCD kolminkertaiseen äkkikuolemariskiin. 2 %:lla tutkituista sydänlihaksen depolarisaation suuntaa kuvaavan QRS-kompleksin akselin ja repolarisaatiota kuvaavan T-aallon akselin välinen frontaalitason QRS-T kulma oli leveä ≥ 100°. Näillä henkilöillä kokonaiskuolleisuus oli lisääntynyt, ja sydänperäisen äkkikuoleman riski oli yli kaksinkertainen verrattuna henkilöihin jolla QRS-T kulma oli  < 100°. Oikeanpuoleisissa rintakytkennöissä V1–V3 todettiin negatiiviset T-aallot 0.5 %:lla tutkituista, mutta näillä ei ollut vaikutusta kuolleisuuteen. Sen sijaan henkilöillä, joilla todettiin negatiiviset T-aallot muissa kytkennöissä, oli yli kaksinkertainen sydänkuoleman ja äkillisen sydänpysähdyksen vaara muihin tutkittuihin verrattuna. Osallistujista 2.1 %:lla todettiin pidentynyt PR-aika > 200 ms. Tämä ei kuitenkaan vaikuttanut henkilöiden kuolleisuuteen eikä sydämen vajaatoiminnasta, eteisvärinästä tai aivoverenkiertohäiriöistä johtuvien sairaalahoitojen määrään. Tutkituista EKG:n poikkeavuuksista siis pidentynyt QRS-kompleksin kesto, IVCD ja leveä QRS-T kulma liittyvät selvästi lisääntyneeseen äkillisen sydänpysähdyksen riskiin. Sen sijaan pidentynyt PR-aika tai T-inversiot oikeanpuoleisissa rintakytkennöissä ilman muuta viitettä sydänsairaudesta eivät vaikuta ennusteeseen keski-ikäisessä väestössä.