Abstract Cardiovascular diseases are the leading cause of death in developed countries. Approximately 50% of these events are due to sudden cardiac death (SCD) and often without preceding diagnosis of cardiac disease. Many risk factors for cardiac events have been identified and prevention strategies have improved markedly. The aim of this thesis was to evaluate the usability of the 12-lead electrocardiogram (ECG) to predict cardiac events. The study population consisted of 10,904 middle-aged general population subjects with ECG recordings between the years 1966–1972 with a long follow-up (30±11 years). The first part of the thesis (I) focused on the prevalence and prognostic significance of fragmented QRS complex (fQRS). The prevalence of fQRS was 19.7%. Fragmented QRS complex did not predict mortality in subjects with no history of cardiac disease. Among subjects with underlying cardiac disease and lateral fQRS, the risk of cardiac death was 2.5-fold (P=0.001) and the risk of SCD was almost 3-fold (P=0.004). Other major electrocardiographic abnormalities were assessed in subjects without known cardiac disease for the risk of cardiac death, SCD and hospitalization due to coronary artery disease (II, III). Abnormal ECG was moderately associated with cardiac death after 10 and 30 years of follow-up (hazard ratio 1.7, P=0.009; hazard ratio 1.3, P>0.001, respectively) (II). The risk of hospitalization was not associated with abnormal ECG findings. Abnormal ECG moderately predicted SCD during 10 and 30 years of follow-up (hazard ratio 1.6, P=0.052; hazard ratio 1.3, P=0.007) (III). The risk of SCD was 3-fold when ≥2 ECG abnormalities were present. In conclusion, lateral fQRS in middle-aged subjects with underlying cardiac disease was associated with increased risk of death. Certain abnormal ECG findings associated with the risk of non-arrhythmic cardiac mortality and arrhythmic death. The risk of arrhythmic mortality was substantially elevated when multiple ECG abnormalities were present in middle-aged population. / Tiivistelmä Sydänsairaudet ovat yleisin kuolinsyy kehittyneissä maissa. Noin 50 % näistä kuolemista aiheutuu äkillisestä sydänpysähdyksestä, suuri osa ilman aiempaa tietoa sairaudesta. Useita sydänsairauksien riskitekijöitä on tunnistettu ja ennaltaehkäisy on kehittynyt merkittävästi. Väitöstutkimuksen tavoitteena on tutkia 12-kytkentäisen sydänsähkökäyrän (EKG) käyttökelpoisuutta sydänsairauksien ilmenemisen ennustamisessa. Tutkimusväestöön kuului 10,904 keski-ikäistä suomalaista henkilöä. Aineisto kerättiin vuosina 1966-1972 ja seuranta-aika oli 30 (±11) vuotta. Ensimmäisessä osajulkaisussa (I) tutkimme QRS-kompleksin fragmentaation vallitsevuutta ja sen vaikutusta ennusteeseen väestössä. Fragmentoituneen QRS-kompleksin esiintyvyys oli 19.7 %. Fragmentoitunut QRS-kompleksi ei lisännyt kuolemanriskiä henkilöillä, joilla ei ollut sydänsairautta. Henkilöillä, joilla oli todettu sydänsairaus, lateraalinen fQRS lisäsi sydänperäistä kuolleisuutta 2.5-kertaiseksi (P=0.001) ja rytmihäiriöperäistä kuolleisuutta 3-kertaiseksi (P=0.004). Tutkimme muiden poikkeavien EKG-löydösten ennustearvoa kuolleisuuteen ja sairaalahoidon tarpeeseen sepelvaltimokohtauksen vuoksi (II, III). Poikkeavien EKG-muutosten esiintymiseen liittyi lisääntyneen sydänperäisen kuoleman riski sekä 10 vuoden (riskitiheyssuhde 1.7, P=0.009) että 30 vuoden seurannassa (riskitiheyssuhde 1.3, P>0.001) (II). Poikkeavat EKG-muutokset eivät ennustaneet sairaalahoitojaksoja. Poikkeava EKG ennusti rytmihäiriöperäisen kuoleman riskiä sekä 10 vuoden (riskitiheyssuhde 1.6, P=0.052) että 30 vuoden seurannassa (riskitiheyssuhde 1.3, P=0.007) (III). Äkkikuoleman riski oli 3-kertainen henkilöillä, joilla todettiin ≥ 2 EKG-poikkeavuutta. Tutkimuksen yhteenvetona voidaan todeta, että fQRS lateraalisissa kytkennöissä lisäsi sydänperäisen kuoleman riskiä henkilöillä, joilla on todettu sydänsairaus. Tiettyihin poikkeaviin EKG-muutoksiin liittyi lisääntynyt ei-rytmihäiriöperäisen ja rytmihäiriöperäisen kuoleman riski. Useiden tutkittujen EKG-muutosten ilmentyminen samanaikaisesti lisäsi merkittävästi rytmihäiriöperäisen kuoleman riskiä keski-ikäisessä väestössä.

Abstract Multimodal measurements are increasingly being employed in the study of human physiology. Brain studies in particular can draw advantage of simultaneous measurements using different modalities to analyse correlations, mechanisms and relationships of physiological signals and their dynamics in relation to brain functions. Moreover, multimodal measurements help to identify components of physiological dynamics generated specifically by the brain. This thesis summarizes the study, design and development of non-invasive medical instruments that can be utilized in conjunction with magnetic resonance imaging (MRI). A key challenge in the development of measurement methods is posed by the extraordinary requirements that the MRI environment poses - all materials need to be MR-compatible and the selected instruments and devices must not be affected by the strong magnetic field generated by the MRI scanner nor the MRI by the instruments placed within its scanning volume. The presented methods allow simultaneous continuous measurement of heart rate (HR) and metabolism from the brain cortex as well as pulse wave velocity (PWV) and blood pressure measurements in synchrony with electroencephalography (EEG) and MRI. Furthermore, the thesis explored the reliability and accuracy of the responses gathered by the developed instruments and, using new experimental methods, estimated the propagation of near-infrared light in the human brain. The goal of the novel multimodal measurement environment is to provide more extensive tools for medical researchers, neurologists in particular, to acquire accurate information on the function of the brain and the human body. Measurements have been performed on more than 70 persons using the presented multimodal setup to study such factors as the correlation between blood oxygen level-dependent (BOLD) data and low-frequency oscillations (LFOs) during the resting state. / Tiivistelmä Multimodaalisia kuvantamismenetelmiä käytetään enenevässä määrin ihmisen fysiologian ja elintoimintojen tutkimisessa. Erityisesti aivotutkimuksessa samanaikaisesti useammalla modaliteetilla mittaaminen mahdollistaa erilaisten fysiologisten mekanismien ja niiden korrelaatioiden tutkimisen kehon ja aivotoimintojen välillä. Lisäksi multimodaaliset mittaukset auttavat yksilöimään fysiologiset komponentit toisistaan ja identifioimaan aivojen tuottamia fysiologisia signaaleja. Tämä väitöskirja kokoaa tutkimustyön sekä laite- ja instrumentointisuunnittelun ja sen kehittämistyön ei-invasiivisesti toteutettujen lääketieteen mittausmenetelmien käyttämiseksi magneettikuvauksen aikana. Erityishaasteena työssä on ollut magneettikuvausympäristö, joka asettaa erityisvaatimuksia mm. mittalaitteissa käytettäville materiaaleille sekä laitteiden häiriönsiedolle magneettikuvauslaitteen aiheuttaman voimakkaan magneettikentän takia. Kehitettävät mittausmenetelmät eivät myöskään saa aiheuttaa häiriöitä magneettikuvauslaitteen tuottamalle kuvainformaatiolle. Väitöskirjassa esitettävät mittausmenetelmät tekevät mahdolliseksi mitata magneettikuvausympäristössä ihmisen sydämen sykettä, veren virtauksen kulkunopeutta ja verenpaineen vaihteluja sekä aivokuoren metaboliaa - kaikki synkronissa aivosähkökäyrän mittaamisen ja magneettikuvantamisen kanssa. Lisäksi väitöskirjassa tutkitaan kehitettyjen mittausmenetelmien antamaa mittaustarkkuutta sekä arvioidaan lähi-infrapunavalon etenemistä ihmisen aivoissa uudenlaisella menetelmällä. Kehitetyllä multimodaalisella mittausympäristöllä on tavoitteena antaa lääketieteen alan tutkijoille, erityisesti neurologeille, käyttöön mittausmenetelmiä, joiden avulla voidaan tutkia ihmisen aivojen ja kehon välisiä toimintoja aiempaa kattavammin. Laitekokonaisuudella on tutkittu jo yli 70:tä henkilöä. Näissä mittauksissa on tutkittu mm. veren happitasojen hitaita vaihteluja ihmisen aivojen ollessa lepotilassa, ns. resting state -tilassa.