Ventricular Depolarization in Ischemic Heart Disease.Value of Electrocardiography in Assessment of Severity and Extent of Acute Myocardial Ischemia.

Abstract

Background

In patients with symptoms compatible with acute myocardial infarction (MI), early triage by ECG in the pre-hospital phase by ST-segment elevation myocardial infarction (STEMI) criteria is important for direct transport of these patients to a regional center for primary percutaneous coronary intervention (pPCI). The time from first medical contact to pPCI should, due to present guidelines, be no longer than two hours. One main determinant of final infarct size (IS), in addition to myocardium at risk (MaR) and time to treatment, is the severity of ischemia, which relates to the rate of progression of the infarction wavefront. Presently, no assessment of severity is made. Patients with severe ischemia may have changes within the QRS complex in addition to ST-T changes, making it possible to identify these high-risk patients. QRS changes are, however more difficult to determine and to quantify correctly as compared to the changes within the ST segment.



Aims and methods

The overall objective was to increase the understanding of depolarization changes during myocardial ischemia and to evaluate whether these changes have possible clinical implications in patients with acute MI. Different QRS methods are applied in patients during ischemia produced by elective, prolonged PCI as well as during STEMI, and comparisons are made with conventional ECG parameters as well as single-photon emission computed tomography (SPECT) images.



Results and conclusions

Study I compared the computer-derived high-frequency QRS components (HF-QRS) in patients with and without standard ECG changes indicative of old MI. In contrast to previous findings we found that HF-QRS cannot differentiate between patients with and without old MI.

Study II tested the ability of HF-QRS versus conventional ST-segment measurements to detect and quantify myocardial ischemia, as determined by SPECT, in a group of patients undergoing elective balloon PCI. We showed that HF-QRS can provide valuable information both for detecting acute ischemia and for quantifying MaR and its severity.

Study III evaluated a potentially more readily available (compared with HF-QRS) new marker of ventricular depolarization distortion, which is based on calculation of up- and downslope within the QRS complex, in patients undergoing coronary intervention that includes temporary occlusion of a coronary artery. We found that in particular the downward slope between R and S waves better correlates with ischemia than conventional QRS parameters, as quantified by SPECT, and thus can be of value in risk stratification of patients with ischemia in addition to conventional ST-segment analysis.

Study IV, in a large cohort of STEMI patients, assessed the value of the conventional Sclarovsky-Birnbaum ischemia grading system that includes terminal QRS distortion in addition to ST elevation, on pre-hospital ECG and its dynamic behavior during transport time to the PCI center for prediction of final infarct size and salvage, as estimated by SPECT imaging. The study explored the temporal behavior of the ischemia grading and showed the strong association of ischemia grade assessed from pre-hospital ECG, as well as the dynamic patterns, with infarct size, independent of ST-segment analysis. It also demonstrated the importance of early intervention, which was found to be particularly important in patients who had advanced, QRS-based ischemia grade.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

Bakgrund

Den medicinska utvecklingen har varit stark under de senaste åren vad gäller akut omhändertagande av patienter med misstänkt hjärtinfarkt. Snabb teknisk utveckling inom området för kateterburen koronarkärlsintervention (PCI) och framsteg inom farmakologisk behandling har bidragit till allt bättre vårdresultat. Omedelbar och korrekt beslutsprocess har kommit att bli alltmer avgörande för att rädda hotad hjärtmuskelvävnad, och därmed avsevärt påverka patientens framtida liv. Beslut bör tas redan prehospitalt, för triagering av patienterna antingen till lokalt sjukhus eller till regionalt PCI-center. Detta ställer mycket höga krav på tillförlitlig diagnostisk.

Den undersökning som ger mest information i den akuta situationen är 12-avlednings EKG, som är ett enkelt, lättillgängligt och icke-invasivt diagnosredskap vid sidan om patientens sjukdomshistoria och aktuella symtom. I den akuta situationen ses vanligen ingen diagnostiskt värdefull information i hjärtspecifika blodprover. Den förhärskande metoden att upptäcka akut hjärtinfarkt är att studera förändringar under repolarisationen (ST-T-sträckan) på EKG. Om vissa EKG-kriterier uppfylls för ST-sträckan (sk STEMI-kriterier), bör patienten helst så snart som möjligt behandlas med primär PCI. Detta kan ofta innebära lång transport av patienten till ett sjukhus där PCI kan utföras. I enlighet med både amerikanska och europeiska riktlinjer bör man eftersträva att patienterna får sådan behandling inom 2 timmar från första EKG där STEMI-kriterier verifierats. Telemedicin med digital överföring av akuta EKG tagna i patientens hem, i ambulansen alternativt på lokalt sjukhus underlättar för att effektivisera denna process.

Idag ges alla patienter liknande avlastande behandling under transporten. Vissa patienter har emellertid mera allvarlig syrebrist (ischemi) i hjärtat än andra, vilket får till följd att en större andel av hjärtmuskelvävnaden utsatt för syrebrist kommer att gå under (infarcera) per tidsenhet innan man kommer till PCI-behandlingen. Genom att även analysera andra delar av hjärtcykeln med EKG (depolarisationen, dvs QRS komplexet), finns det möjligheter att identifiera dessa högriskpatienter och i framtiden eventuellt kunna skräddarsy mera intensiv, kompletterande behandling redan under transporten. Denna kunskap skulle kunna nyttjas i stor omfattning och adderas till utvecklingen av akut hjärtinfarktbehandling globalt.



Övergripande syfte och ingående patientgrupper

Avhandlingens övergripande mål var att utvärdera metoder för att extrahera mer information från EKG-signalen under depolarisationen (QRS-komplexet), som additivt diagnostiskt hjälpmedel till dagens repolarisationsanalys (ST-T sträckan). I de olika delarbetena studerades patienter med olika typer av akut ischemi, dels i en mindre population under planerad och kontrollerad ballongvidgning av ett kranskärl (Studie II och III), dels i en betydligt större patientgrupp med akut pågående hjärtinfarkt (STEMI) i Studie IV. I dessa populationer fanns multipla kliniska variabler liksom kvantifiering av graden av ischemi med myokardscintigrafi (SPECT). I Studie I analyserades patienter dessutom under vilobetingelser avseende olika typer av QRS-förändringar som tyder på äldre hjärtinfarkt.

Generellt sett är QRS-förändringar svårare att karakterisera och mäta än de som ses under ST-sträckan. Inom QRS-komplexet i ett standard-EKG kan man mäta skillnader i amplitud av ingående komponenter samt deras durationer. Båda, men i synnerhet den sistnämnda har felkällor, varför det finns behov av ett mera övergripande och tillförlitligt QRS-mått. I denna avhandling har QRS-komplexet analyserats utifrån både konventionellt, standard-EKG, samt de två mer tekniskt avancerade analysmetoderna högfrekvens-EKG (HF-QRS) och QRS-slope metoden. Dessa metoder värderades under akut ischemi, pågående och tidigare infarkt. Den förstnämnda, standard-EKG baserade metoden, sk Sclarovsky-Birnbaum (S-B) graderingen av ischemi, värderar allvarlighetsgraden av ischemi under ett akut hjärtinfarktskede. Denna metod är sedan tidigare beskriven, men har ännu inte kommit att användas i klinisk praxis.



Specifika mål

Delarbete I: Studera om man med hjälp av HF-QRS metoden han differentiera mellan patienter med en tidigare genomgången hjärtinfarkt och de som inte haft någon infarkt, där själva infarktdiagnosen verifierats med vanligt standard-EKG.

Delarbete II: Värdera om förändringar av HF-QRS vid akut ischemi är associerade till dess utbredning och allvarlighetsgrad.

Delarbete III: Studera hur den, jämfört med HF-QRS- metoden, mindre bruskänsliga och mera kliniskt lättillgängliga QRS-slope- metoden, kan användas för att värdera utbredning och allvarlighetsgrad av akut ischemi.

Delarbete IV: Undersöka hur depolarisationförändringarna som ingår i S-B graderingen av ischemi varierar över tid (från ambulans-EKG till EKG taget senare på mottagande sjukhus just innan PCI behandlingen). Vidare studera det kliniska värdet av tidig hjärtinfarktgradering, dels utifrån ambulans-EKG, men även värdet av själva dynamiken under transporten fram till PCI behandlingen. Testa om denna EKG-information relaterar till faktisk allvarlighetsgrad, dvs hastighet av infarktutveckling och behandlingsresultatet av akut PCI inklusive slutlig infarktstorlek.



Fynd och sammanfattning

Studie I visade att vid värdering av en större patientpopulation och med fler EKG- avledningar jämfört med tidigare, liknande studier, kunde vi, till skillnad från tidigare resultat, med hjälp av HF-QRS inte differentiera mellan patienter med och utan tecken till tidigare hjärtinfarkt.

I Studie II fann vi att högfrekvenskomponenter inom QRS komplexet sjunker vid ischemi. Graden av förändringen visar signifikant korrelation med både utbredning och svårighetsgrad av ischemin kvantifierad med SPECT med högre korrelationskoefficient än konventionella ST-förändringar.

Med den betydligt mera bruståliga och därmed mera kliniskt lättillgängliga QRS-slope metoden, kunde vi i Studie III konstatera att förändringar i synnerhet vad gäller nedåtgående lutningen av R vågen uppvisar signifikant korrelation med både utbredning och svårighetsgrad av ischemin kvantifierad med SPECT, som är starkare än för övriga, konventionella QRS parametrar i standard-EKG och adderar information till ST-analys.

Studie IV visade att “QRS distortion”, som ingår i den allvarligaste grad 3 i S-B ischemigradering, uppvisar en dynamik mellan ambulans-EKG och EKG precis innan PCI-behandlingen. Patienter med grad 3-ischemi redan vid tidig EKG värdering i ambulansen, liksom de som uppvisade en dynamik där de bibehöll eller utvecklade denna grad under transporten, utvecklade större infarkter än de som inte hade dessa EKG-förändringar. Detta trots motsvarande storlek av det ischemiska området och samma tid från symtomdebut till PCI behandling. Vidare kunde vi konstatera att det är avhängigt graden av ischemi hur snabbt infarkten utvecklar sig, och hur stor del av det hotade hjärtmuskelområdet man därigenom kan rädda med hjälp av att öppna det stängda kranskärlet med PCI. Patienter som behandlades inom 2.5 timmar från symtomdebut uppvisade samma behandlingseffekt av PCI oavsett ischemigrad. Vid behandling senare än 2.5 timmar såg vi däremot sämre resultat för den grupp av patienter som hade grad 3 ischemi på ambulans EKG jämfört med patienter som hade grad 2 ischemi.

Avhandlingen visar att uttalad akut ischemi ger förändringar under själva depolarisationen som kan kvantifieras. Då analysmetoden för HF-QRS är relativt bruskänslig och därmed kräver avancerad medelvärdesberäkning, testades en nyutvecklad QRS-slopemetod, som vi bedömer kunna ge likvärdig information på ett mera lättillgängligt och tillförlitligt sätt. Den lämpar sig främst för att följa förändringar under pågående EKG-monitorering, men kan även nyttjas i bedömning av ett enskilt EKG om det finns ett tidigare, jämförande EKG. Resultaten från Studie IV indikerar att grad 3-ischemi som noteras tidigt kan indikera allvarlig ischemi med snabb infarktutveckling. Fler studier behövs både för att vidare applicera QRS-slope metoden i ett mera kliniskt sammanhang och för att få ytterligare förståelse för hur förändringar i den senare delen av QRS-komplexet bäst kan nyttjas för riskvärdering av patienter med akut hjärtinfarkt.

• author: Ringborn, Michael
• supervisor: Pyotr Platonov; Olle Pahlm; Christian Juhl Terkelsen; Galen Wagner
• opponent: Professor, MD, PhD, FESC Bergfeldt, Lennart, Department of Cardiology, Sahlgrenska University Hospital, Gothenburg, Sweden
• organization: Cardiology
• publishing date: 2013
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Cardiac and Cardiovascular Systems
• keywords: Acute myocardial ischemia, Acute myocardial infarction, Severity of ischemia, QRS changes, HF-QRS, QRS slopes, Depolarization changes, Myocardium at risk, Final infarct size, SPECT.
• in: Lund University Faculty of Medicine Doctoral Dissertation Series
• volume: 2013:40
• pages: 111 pages
• defense location: Segerfalksalen, Wallenberg Neurocentrum, BMC, Lund, Sweden
• defense date: 2013-04-05 09:30:00
• ISSN: 1652-8220
• ISBN: 978-91-87449-10-9
• language: English
• LU publication?: yes
• id: 90db9edf-02dc-4916-9258-6cc1973cac3b (old id 3563704)
• date added to LUP: 2016-04-01 14:33:10
• date last changed: 2020-06-16 12:53:07