Download PDF
Cent Eur Neurosurg 2004; 65(1): 13-17
DOI: 10.1055/s-2004-44887
Original Article

© Georg Thieme Verlag Stuttgart · New York

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

Visuell evozierte Veränderungen der Blutflussgeschwindigkeit und des Pulsatilitätsindex (PI) der Arteria cerebri posterior: Eine transkraniell-dopplersonographische StudieR. Wiedensohler1 , J. Kuchta1 , A. Aschoff2 , A. Harders3 , N. Klug1
  • 1Department of Neurosurgery, University of Cologne, Germany
  • 2Department of Neurosurgery, Ruhr University Bochum, Germany
  • 3Department of Neurosurgery, University of Heidelberg, Germany
Further Information

Publication History

Publication Date:
24 February 2004 (online)

    Permissions and Reprints

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
    CrossrefPubMedGoogle Scholar
  • 2 Aaslid R. Visually evoked dynamic blood flow response of the human cerebral circulation.  Stoke. 1987;  18 771-775
    CrossrefPubMedGoogle Scholar
  • 3 Ballot B. Akustische Versuche auf der Niederländischen Eisenbahn nebst gelegentlichen Bemerkungen zur Theorie des Herrn Prof. Doppler.  Pog Ann. 1845;  66 321-351
    PubMedGoogle Scholar
  • 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
    CrossrefPubMedGoogle Scholar
  • 5 Conrad B, Klingelhöfer J. Dynamics of regional cerebral blood flow for various visual stimuli.  Exp Brain Res. 1989;  77 437-441
    CrossrefPubMedGoogle Scholar
  • 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
    CrossrefPubMedGoogle Scholar
  • 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
    PubMedGoogle Scholar
  • 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
    CrossrefPubMedGoogle Scholar
  • 9 Gosling H, King D H. Arterial assessment by Doppler shift ultrasound.  Proc R Soc Med. 1974;  67 47-49
    PubMedGoogle Scholar
  • 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
    PubMedGoogle Scholar
  • 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
    CrossrefPubMedGoogle Scholar
  • 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
    PubMedGoogle Scholar
  • 13 Lassen N A, Ingvar D H, Skinhoj E. Brain function and blood flow.  Sci Am. 1978;  239 62-71
    PubMedGoogle Scholar
  • 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
    PubMedGoogle Scholar
  • 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
    PubMedGoogle Scholar
  • 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
    PubMedGoogle Scholar
  • 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
    PubMedGoogle Scholar
  • 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
    PubMedGoogle Scholar
  • 19 Newell A. Transcranial Doppler: Clinical and experimental uses.  Cerebovasc Brain Metab Rev. 1992;  4 122-143
    PubMedGoogle Scholar
  • 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
    PubMedGoogle Scholar
  • 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
    PubMedGoogle Scholar
  • 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
    PubMedGoogle Scholar
  • 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
    CrossrefPubMedGoogle Scholar
  • 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
    CrossrefPubMedGoogle Scholar
  • 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
    PubMedGoogle Scholar

Dr. med. Johannes Kuchta

Klinik für Neurochirurgie

Universität zu Köln

Joseph-Stelzmann Str. 9

50924 Köln

Germany

Phone: +49/2 21-4 78-45 57

Fax: +49/2 21-4 78-59 21

Email: phonosphere@web.de

      >