Visually Evoked Changes of Blood Flow Velocity and Pulsatility Index in the Posterior Cerebral Arteries: A Transcranial Doppler Study

Abstract

Objective: Transcranial Doppler sonography (TCD) can detect visual evoked blood flow responses non-invasively and continuously with high temporal resolution. While the mean flow velocity response to visual stimuli is well documented, the response of the pulsatile characteristics of the waveform is less well known.
Method: We examined the changes of blood flow velocity and pulsatility index (PI) in the posterior cerebral artery (PCA) in 50 healthy volunteers. TCD responses were measured in response to metabolic activation of the visual cortex by visual stimulation.
Results: A specific, stimulus-related increase of the mean flow velocity (MFV) in the PCA was found. The intensity of the blood flow response was significantly influenced by the complexity of the stimulus. During complex visual stimulation we found a mean flow velocity (MFV) increase of 29.4 % from the baseline in the subjects. However, a stimulus-related decrease was observed in the pulsatility index (PI); although the mean PI with closed eyes during baseline measurement was 1.18 (SD 0.27), on average, it fell significantly to 0.95 (SD 0.23) with the alternating chessboard and 0.82 (SD 0.22) during the complex stimulus condition. The relative decrement of the pulsatility index with increasing complexity of the visual stimulus is highly significant, with values of -19.5 % and -30.5 % compared to the baseline.
Conclusion: These findings demonstrate the inverse correlation between MFV response and pulsatility index in the PCA. We assume that this decrease of the PI in the PCA may reflect the reduced regional vascular resistance in the visual cortex during visual stimulation.

Zusammenfassung

Gegenstand: Mit der transkraniellen Doppler-Sonographie können visuell evozierte Veränderungen des Blutflusses nicht-invasiv und mit hoher zeitlicher Auflösung gemessen werden. Während die Veränderung der mittleren Flussgeschwindigkeit in Abhängigkeit von visuellen Stimuli eingehend beschrieben ist, sind Veränderungen der pulsatilen Eigenschaften der TCD Amplitude bisher kaum dokumentiert.
Methode: Im Rahmen dieser Studie haben wir die mittlere Blutflussgeschwindigkeit (MFV) und den Pulsatilitätsindex (PI) der Arteria cerebri posterior (PCA) bei 50 gesunden Probanden untersucht. Dopplersonographische Charakteristika wurden in Abhängigkeit von metabolischer Aktivierung der visuellen Hirnareale durch optische Stimulation untersucht.
Ergebnisse: Es fand sich ein spezifischer, reizbedingter Anstieg der MFV in beiden Arteriae cerebri posteriores. Es bestand eine signifikante Korrelation zwischen der Komplexität des optischen Stimulus und dem Anstieg der MFV. Während komplexer visueller Stimulation stieg die mittlere Blutflussgeschwindigkeit auf 129,4 % des Ausgangswertes in Ruhe an. Gleichzeitig zeigte sich ein reizbedingter Abfall des PI: Während der mittlere PI bei geschlossenen Augen 1,18 (SD 0,27) betrug, fiel der PI bei alternierendem Schachbrettmuster auf 0,95 (SD 0,23) und auf 0,82 (SD 0,22) bei komplexen visuellen Aufgaben. Dieser relative Abfall des PI mit zunehmender Komplexität des visuellen Stimulus war hoch signifikant mit Werten von -19,5 % und -30,5 %. Diese Ergebnisse zeigen für die Arteria cerebri posterior eine umgekehrte Korrelation zwischen MFG-Antwort und dem PI unter visueller Stimulation, die am ehesten Ausdruck einer lokalen peripheren Vasodilatation ist.

Key words

Cerebral blood flow - posterior cerebral artery - pulsatility index - transcranial Doppler - visual stimulation

Schlüsselwörter

Arteria cerebri posterior - Pulsatilitätsindex - transkranielle Dopplersonsographie - visuelle Aktivierung - zerebraler Blutfluss

References

• 1 Aaslid R, Markwalder T M, Nornes H. Noninvasive transcranial Doppler ultrasound recording flow velocity in basal cerebral arteries.  J Neurosurg. 1982;  57 769-774
• 2 Aaslid R. Visually evoked dynamic blood flow response of the human cerebral circulation.  Stoke. 1987;  18 771-775
• 3 Ballot B. Akustische Versuche auf der Niederländischen Eisenbahn nebst gelegentlichen Bemerkungen zur Theorie des Herrn Prof. Doppler.  Pog Ann. 1845;  66 321-351
• 4 Becker V U, Hansen H C, Brewitt U, Thiel A. Visually evoked cerebral blood flow velocity changes in different states of brain dysfunction.  Stroke. 1996;  27 446-449
• 5 Conrad B, Klingelhöfer J. Dynamics of regional cerebral blood flow for various visual stimuli.  Exp Brain Res. 1989;  77 437-441
• 6 Czosnyka M, Richards H K, Whitehouse H E, Pickard J D. Relationship between transcranial Doppler-determined pulsatility index and cerebrovascular resistance: An experimental study.  J Neurosurg. 1996;  84 79-84
• 7 Droste D W, Harders A G, Rastogi E. A transcranial Doppler study of blood flow velocity in the middle cerebral arteries performed at rest and during mental activities.  Stroke. 1998;  20 1005-1011
• 8 Gomez S M, Gomez C R, Hall I S. Transcranial Doppler ultrasonographic assessment of intermittent light stimulation at different frequencies.  Stroke. 1990;  21 1746-1748
• 9 Gosling H, King D H. Arterial assessment by Doppler shift ultrasound.  Proc R Soc Med. 1974;  67 47-49
• 10 Fox P, Raichle M E. Stimulus rate dependence of regional cerebral blood flow in human striate cortex, demonstrated by positron emission tomography.  J Neurophysiology. 1984;  51 1109-1120
• 11 Hatab M R, Giller C A, Clarce G D. Evaluation of cerebral arterial flow with transcranial Doppler ultrasound theoretical development and phantom studies.  Ultrasound Med Biol. 1997;  23 1025-1031
• 12 Kelley R E, Chaang J Y, Scheinmann N J, Levin B E, Duncan R C, Lee S C. Transcranial Doppler assessment of cerebral flow velocity during cognitive tasks.  Stroke. 1992;  23 9-14
• 13 Lassen N A, Ingvar D H, Skinhoj E. Brain function and blood flow.  Sci Am. 1978;  239 62-71
• 14 Lupetin A R, Davis D A, Beckman I, Dash N. Transcranial Doppler sonography. Part 1. Principles, technique and normal appearances.  Radiographics. 1995;  15 179-191
• 15 Meyer J S, Hayman L A, Amano T, Nakajima S, Shaw T, Lauzon P, Derman S, Karacan I, Harati Y. Mapping of local blood flow of human brain by CT scanning during stable xenon inhalation.  Stroke. 1981;  12 426-436
• 16 Mayer S A, Thomas C E, Diamond B E. Asymmetry of intracranial hemodynamics as an indicator of mass effect in acute intracerebral hemorrhage. A trancranial Doppler study.  Stroke. 1996;  27 1788-1792
• 17 Mikkonen R H, Kreula J M, Virkkunen P J. Peak systolic velocity, resistance index and pulsatility index. Variations in measuring a pre-recorded videotape.  Acta Radiol. 1997;  38 598-602
• 18 Muck-Weymann M, Schweizer J. Licht-evozierte Blutflussänderungen in der Arteria cerebri posterior (Light-evoked blood flow changes in the posterior cerebral artery).  Vasa. 1996;  25 327-330
• 19 Newell A. Transcranial Doppler: Clinical and experimental uses.  Cerebovasc Brain Metab Rev. 1992;  4 122-143
• 20 Panczel D, Meyer B U, Roricht S, Matzander G, Klingelhofer J. Increase of posterior cerebral artery blood flow velocity during threshold repetitive magnetic stimulation of the human visual cortex: hints for neuronal activation without cortical phosphenes.  Electroencephalogr Clin Neurophysiol. 1996;  99 473-478
• 21 Sander D, Meyer B U, Roricht S, Matzander G, Klingelhofer J. Increase of posterior cerebral artery blood flow velocity during threshold repetitive magnetic stimulation of the human visual cortex: hints for neuronal activation without cortical phosphenes.  Electroencephalogr Clin Neurophysiol. 1996;  99 473-478
• 22 Schnittger C, Johannes S, Munte T F. Transcranial Doppler assessment of cerebral blood flow velocity during visual spatial selective attention in humans.  Neurosci Lett. 1996;  214 41-44
• 23 Schnittger C, Johannes S, Arnavaz A, Munte T F. Blood flow velocity changes in the middle cerebral artery induced by processing of hierarchical visual stimuli.  Neuropsychologia. 1997;  35 1181-1184
• 24 Sturzenegger M, Newell D W, Aaslid R. Visually evoked blood flow response assessed by simultaneous two-channel transcranial Doppler using flow velocity averaging.  Stroke. 1996;  27 2256-2261
• 25 Urban P P, Allardt A, Tettenborn B, Hopf H C, Pfennigsdorf S, Lieb W. Photoreactive flow changes in the posterior cerebral artery in control subjects and patients with occipital lobe infarction.  Stroke. 1995;  26 1817-1819