Spatial vector cardiography: From origins to the present day. A review

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

Vectorcardiography (VCG) originated back in 1887 due to the discovery of the dipole theory of the heart electric vector by Augustus D. Waller. Despite the fact that the idea of constructing an electric vector of the heart quickly gained appreciation among scientists of that time, the technical imperfections of electrocardiographs and the complexity of manual calculations for a certain period of time reduced the interest of researchers in this method. The advent of digital electrocardiographs and the development of algorithms for the automatic construction of heart vectors gave VCG a second life and allowed us to look at vector theory from a different angle. It became possible to visualize the electrical processes of the myocardium in a three-dimensional image, to calculate the parameters of the depolarization and repolarization vectors. This review summarizes the currently available ideas and research results on the study of VCG. The concepts of global electrical heterogeneity and ventricular gradient based on the vector theory of the heart are discussed. The data of numerous studies testifying to the significant prognostic and diagnostic value of the obtained parameters of VCG are presented.

About the authors

Valentin E. Oleynikov

Penza State University

Email: v.oleynikof@gmail.com
ORCID iD: 0000-0002-7463-9259

доктор медицинских наук, профессор, зав. кафедры терапии Медицинского института

Russian Federation, Penza

Angelina A. Chernova

Penza State University

Author for correspondence.
Email: v.oleynikof@gmail.com
ORCID iD: 0009-0002-7957-8034

аспирант кафедры терапии Медицинского института

Russian Federation, Penza

References

  1. Waller AD. A Demonstration on man of electromotive changes accompanying the heart's beat. J Physiol. 1887;8(5):229-34. PMID: 16991463
  2. Einthoven W, Fahr G, de Waart A. Über die Richtung und die manifeste Grösse der Potentialschwankungen im menschlichen Herzen und über den Einfluss der Herzlage auf die Form des Elektrokardiogramms. Pflugers Arch ges Physiol. 1913;150:275-315.
  3. Mann H. А method of analyzing the electrocardiogram. Arch Intern Med (Chic). 1920;25(3):283-94.
  4. Burch GE. The history of vectorcardiography. Med Hist Suppl. 1985;(5):103-31. PMID: 3915520
  5. Wilson FN, Macleod AG, Barker PS, Johnston FD. The determination and the significance of the areas of the ventricular deflections of the electrocardiogram. Am Heart J. 1934;10(1):46-61.
  6. Wilson FN, MacLeod AG, Barker PS. The T deflection of the electrocardiogram. Trans Assoc Am Physicians. 1931;46:29-38.
  7. Grishman A, Borun ER, Jaffe HL. Spatial vectorcardiography: Technique for the simultaneous recording of the frontal, sagittal, and horizontal projections. Am Heart J. 1951;41(4):483-93. PMID: 14818957
  8. Milnor WR, Talbot SA, Newman EV. A study of the relationship between unipolar leads and spatial vectorcardiograms, using the panoramic vectorcardiograph. Circulation. 1953;7(4):545-57. PMID: 13033081
  9. Frank E. An accurate, clinically practical system for spatial vectorcardiography. Circulation. 1956;13(5):737-49. PMID: 13356432
  10. Burch GE, Abildskov AA, Cronvich JA. A study of the spatial vectorcardiogram of the ventricular gradient. Circulation. 1954;9(2):267-75. PMID: 13127188
  11. Simonson E, Schmitt OH, Dahl J, et al. The theoretical and experimental bases of the frontal plane ventricular gradient and its spatial counterpart. Am Heart J. 1954;47(1):122-53. PMID: 13114180
  12. Burger HC. A theoretical elucidation of the notion ventricular gradient. Am Heart J. 1957;53(2):240-6. PMID: 13394523
  13. Gardberg M, Rosen IL. Monophasic curve analysis and the ventricular gradient in the electrogram of strips of turtle ventricle. Circ Res. 1959;7:870-5. PMID: 13826483
  14. Lux RL, Urie PM, Burgess MJ, Abildskov JA. Variability of the body surface distributions of QRS, ST-T and QRST deflection areas with varied activation sequence in dogs. Cardiovasc Res. 1980;14(10):607-12. PMID: 7214395
  15. Sridharan MR, Horan LG, Hand RC, et al. The determination of the human ventricular gradient from body surface potential map data. J Electrocardiol. 1981;14(4):399-406. PMID: 7299310
  16. Geselowitz DB. The ventricular gradient revisited: Relation to the area under the action potential. IEEE Trans Biomed Eng. 1983;30(1):76-7. PMID: 6826192
  17. Юрасова Е.С., Блинова Е.В., Сахнова Т.А. К истории векторкардиографии: прошлое, настоящее, будущее. Терапевтический архив. 2022;94(9):1122-5 [Yurasova ES, Blinova EV, Sakhnova TA. On the history of vectorcardiography: Past, present, future. Terapevticheskii Arkhiv (Ter. Arkh.). 2022;94(9):1122-5 (in Russian)]. doi: 10.26442/00403660.2022.09.201841
  18. Vondrak J, Penhaker M. Review of processing pathological vectorcardiographic records for the detection of heart disease. Front Physiol. 2022;13:856590. doi: 10.3389/fphys.2022.856590
  19. Prenner SB, Shah SJ, Goldberger JJ, Sauer AJ. Repolarization heterogeneity: Beyond the QT interval. J Am Heart Assoc. 2016;5(5):e003607. doi: 10.1161/JAHA.116.003607
  20. Draisma HH, Schalij MJ, van der Wall EE, Swenne CA. Elucidation of the spatial ventricular gradient and its link with dispersion of repolarization. Heart Rhythm. 2006;3(9):1092-9. doi: 10.1016/j.hrthm.2006.05.025
  21. Hurst JW. Thoughts about the ventricular gradient and its current clinical use (part II of II). Clin Cardiol. 2005;28(5):219-24. doi: 10.1002/clc.4960280504
  22. Waks JW, Tereshchenko LG. Global electrical heterogeneity: A review of the spatial ventricular gradient. J Electrocardiol. 2016;49(6):824-30. doi: 10.1016/j.jelectrocard.2016.07.025
  23. Tereshchenko LG. Global electrical heterogeneity: Mechanisms and clinical significance. Comput Cardiol (2010). 2018;45:10.22489/cinc.2018.165. doi: 10.22489/cinc.2018.165
  24. Kors JA, Kardys I, van der Meer IM, et al. Spatial QRS-T angle as a risk indicator of cardiac death in an elderly population. J Electrocardiol. 2003;36(Suppl.):113-4. doi: 10.1016/j.jelectrocard.2003.09.033
  25. Yamazaki T, Froelicher VF, Myers J, et al. Spatial QRS-T angle predicts cardiac death in a clinical population. Heart Rhythm. 2005;2(1):73-8. doi: 10.1016/j.hrthm.2004.10.040
  26. Aro AL, Huikuri HV, Tikkanen JT, et al. QRS-T angle as a predictor of sudden cardiac death in a middle-aged general population. Europace. 2012;14(6):872-6. doi: 10.1093/europace/eur393
  27. Zhang ZM, Prineas RJ, Case D, et al.; ARIC Research Group. Comparison of the prognostic significance of the electrocardiographic QRS/T angles in predicting incident coronary heart disease and total mortality (from the atherosclerosis risk in communities study). Am J Cardiol. 2007;100(5):844-9. doi: 10.1016/j.amjcard.2007.03.104
  28. Блинова Е.В., Сахнова Т.А., Юрасова Е.С. Диагностическое и прогностическое значение угла QRS-T. Терапевтический архив. 2020;92(9):85-93 [Blinova EV, Sakhnova TA, Yurasova ES. Diagnostic and prognostic significance of QRS-T angle. Terapevticheskii Arkhiv (Ter. Arkh.). 2020;92(9):85-93 (in Russian)]. doi: 10.26442/00403660.2020.09.000752
  29. Tereshchenko LG, Cheng A, Fetics BJ, et al. Ventricular arrhythmia is predicted by sum absolute QRST integralbut not by QRS width. J Electrocardiol. 2010;43(6):548-52. doi: 10.1016/j.jelectrocard.2010.07.013
  30. Tereshchenko LG, McNitt S, Han L, et al. ECG marker of adverse electrical remodeling post-myocardial infarction predicts outcomes in MADIT II study. PLoS One. 2012;7(12):e51812. doi: 10.1371/journal.pone.0051812
  31. Sur S, Han L, Tereshchenko LG. Comparison of sum absolute QRST integral, and temporal variability in depolarization and repolarization, measured by dynamic vectorcardiography approach, in healthy men and women. PLoS One. 2013;8(2):e57175. doi: 10.1371/journal.pone.0057175
  32. Pueyo E, Corrias A, Virág L, et al. A multiscale investigation of repolarization variability and its role in cardiac arrhythmogenesis. Biophys J. 2011;101(12):2892-902. doi: 10.1016/j.bpj.2011.09.060
  33. Waks JW, Sitlani CM, Soliman EZ, et al. Global electric heterogeneity risk score for prediction of sudden cardiac death in the general population: The Atherosclerosis Risk in Communities (ARIC) and Cardiovascular Health (CHS) studies. Circulation. 2016;133(23):2222-34. doi: 10.1161/CIRCULATIONAHA.116.021306
  34. Biering-Sørensen T, Kabir M, Waks JW, et al. Global ECG measures and cardiac structure and function: The ARIC Study (Atherosclerosis Risk in Communities). Circ Arrhythm Electrophysiol. 2018;11(3):e005961. doi: 10.1161/CIRCEP.117.005961
  35. Tereshchenko LG, Feeny A, Shelton E, et al. Dynamic changes in high-sensitivity cardiac troponin I are associated with dynamic changes in sum absolute QRST integral on surface electrocardiogram in acute decompensated heart failure. Ann Noninvasive Electrocardiol. 2017;22(1):e12379. doi: 10.1111/anec.12379
  36. Javed N, El-Far M, Vittorio TJ. Clinical markers in heart failure: A narrative review. J Int Med Res. 2024;52(5):3000605241254330. doi: 10.1177/03000605241254330
  37. Perez-Alday EA, Bender A, German D, et al. Dynamic predictive accuracy of electrocardiographic biomarkers of sudden cardiac death within a survival framework: The Atherosclerosis Risk in Communities (ARIC) study. BMC Cardiovasc Disord. 2019;19(1):255. doi: 10.1186/s12872-019-1234-9
  38. Fortune JD, Coppa NE, Haq KT, et al. Digitizing ECG image: A new method and open-source software code. Comput Methods Programs Biomed. 2022;221:106890. doi: 10.1016/j.cmpb.2022.106890
  39. Haq KT, Lutz KJ, Peters KK, et al. Reproducibility of global electrical heterogeneity measurements on 12-lead ECG: The multi-ethnic study of atherosclerosis. J Electrocardiol. 2021;69:96-104. doi: 10.1016/j.jelectrocard.2021.09.014
  40. Johnson JA, Haq KT, Lutz KJ, et al. Electrophysiological ventricular substrate of stroke: A prospective cohort study in the Atherosclerosis Risk in Communities (ARIC) study. BMJ Open. 2021;11(9):e048542. doi: 10.1136/bmjopen-2020-048542
  41. Haq KT, Cao J, Tereshchenko LG. Characteristics of cardiac memory in patients with implanted cardioverter-defibrillators: The Cardiac Memory with Implantable Cardioverter-defibrillator (CAMI) study. J Innov Card Rhythm Manag. 2021;12(2):4395-408. doi: 10.19102/icrm.2021.120204
  42. Stabenau HF, Shen C, Tereshchenko LG, et al. Changes in global electrical heterogeneity associated with dofetilide, quinidine, ranolazine, and verapamil. Heart Rhythm. 2020;17(3):460-7. doi: 10.1016/j.hrthm.2019.09.017
  43. Peirlinck M, Sahli Costabal F, Kuhl E. Sex differences in drug-induced arrhythmogenesis. Front Physiol. 2021;12:708435. doi: 10.3389/fphys.2021.708435
  44. Stabenau HF, Shen C, Zimetbaum P, et al. Global electrical heterogeneity associated with drug-induced torsades de pointes. Heart Rhythm. 2021;18(1):57-62. doi: 10.1016/j.hrthm.2020.07.038
  45. Pollard JD, Haq KT, Lutz KJ, et al. Sex differences in vectorcardiogram of African-Americans with and without cardiovascular disease: A cross-sectional study in the Jackson Heart Study cohort. BMJ Open. 2021;11(1):e042899. doi: 10.1136/bmjopen-2020-042899
  46. Howell SJ, German D, Bender A, et al. Does sex modify an association of electrophysiological substrate with sudden cardiac death? The Atherosclerosis Risk in Communities (ARIC) study. Cardiovasc Digit Health J. 2020;1(2):80-8. doi: 10.1016/j.cvdhj.2020.08.003
  47. Jensen K, Howell SJ, Phan F, et al. Bringing critical race praxis into the study of electrophysiological substrate of sudden cardiac death: The ARIC study. Am Heart Assoc. 2020;9(3):e015012. doi: 10.1161/JAHA.119.015012
  48. Jensen CJ, Zadeh B, Wambach JM, et al. Association of QRS-T angle and late gadolinium enhancement in patients with a clinical suspicion of myocarditis. Int J Med Sci. 2021;18(13):2905-9. doi: 10.7150/ijms.57010
  49. Zadeh B, Wambach JM, Lambers M, et al. QRS-T-angle in patients with ST-segment Elevation Myocardial Infarction (STEMI) – A comparison with cardiac magnetic resonance imaging. Int J Med Sci. 2020;17(15):2264-8. doi: 10.7150/ijms.44312
  50. Jensen CJ, Lambers M, Zadeh B, et al. QRS-T angle in patients with hypertrophic cardiomyopathy – A comparison with cardiac magnetic resonance imaging. Int J Med Sci. 2021;18(3):821-5. doi: 10.7150/ijms.52415
  51. Stabenau HF, Marcus M, Matos JD, et al. The spatial ventricular gradient is associated with adverse outcomes in acute pulmonary embolism. Ann Noninvasive Electrocardiol. 2023;28(3):e13041. doi: 10.1111/anec.13041
  52. Сахнова Т.А., Блинова Е.В., Белевская А.А., и др. Сопоставление интегральных показателей векторкардиограммы с данными эхокардиографического исследования у больных идиопатической и хронической тромбоэмболической легочной гипертензией. Терапевтический архив. 2019;91(3):11-6 [Sakhnova TA, Blinova EV, Belevskaya AA, et al. Comparison of the integral indices of the vectorcardiogram with the data of echocardiography in patients with idiopathic and chronic thromboembolic pulmonary hypertension. Terapevticheskii Arkhiv (Ter. Arkh.). 2019;91(3):11-6 (in Russian)]. doi: 10.26442/00403660.2019.03.000043
  53. Сахнова Т.А., Блинова Е.В., Юрасова Е.С., и др. Особенности векторкардиограмм у больных гипертонической болезнью, осложненной хронической сердечной недостаточностью со сниженной фракцией выброса левого желудочка. Терапевтический архив. 2022;94(9):1067-71 [Sakhnova TA, Blinova EV, Yurasova ES, et al. Features of vectorcardiograms in patients with hypertension complicated by chronic heart failure with reduced left ventricle ejection fraction. Terapevticheskii Arkhiv (Ter. Arkh.). 2022;94(9):1067-71 (in Russian)]. doi: 10.26442/00403660.2022.09.201843
  54. Сахнова Т.А., Блинова Е.В., Доценко Ю.В., и др. Выявление систолической дисфункции левого желудочка у пациентов с ишемической болезнью сердца с помощью пространственного и фронтального углов QRS-T электрокардиограммы. Терапевтический архив. 2024;96(4):337-41 [Sakhnova TA, Blinova EV, Dotsenko YV, et al. Detection of left ventricular systolic dysfunction in patients with ischemic heart disease using spatial and frontal QRS-T angles of the electrocardiogram. Terapevticheskii Arkhiv (Ter. Arkh.). 2024;96(4):337-41 (in Russian)]. doi: 10.26442/00403660.2024.04.202695
  55. Chen J, Lin Y, Yu J, et al. Changes of virtual planar QRS and T vectors derived from holter in the populations with and without diabetes mellitus. Ann Noninvasive Electrocardiol. 2016;21(1):69-81. doi: 10.1111/anec.12276

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2. Fig. 1. Schematic representation of the loops of the cardiac cycle in the sagittal (a), vertical (b) and horizontal (c) planes.

Download (118KB)
Indexing metadata
3. Fig. 2. De- and repolarization loops built during 1 cardiac cycle in 3 orthogonal planes.  

Download (96KB)
Indexing metadata
4. Fig. 3. Schematic representation of the QRS-T spatial angle.

Download (84KB)
Indexing metadata
5. Fig. 4. Algorithm for calculating SAI QRST using 3 orthogonal leads: X, Y, Z.

Download (112KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2025 Consilium Medicum

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial-ShareAlike 4.0 International License.
 
 


Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».