Changes of blood flow velocity indicating mechanical compression of the vertebral arteries during rotation of the head in the normal human measured with transcranial Doppler sonography

Rossiti, Sandro; Volkmann, Reinhard

doi:10.1590/S0004-282X1995000100005

Abstracts

The dynamical changes of blood flow velocity of the intracranial vertebral arteries (VA's) and proximal basilar artery (BA) provoked by rotation of the head in normal volunteers were measured using pulsed-wave transcranial Doppler sonography (TCD). In another group both VA's were examined simultaneously with 2-channel TCD. Blood flow velocities diminished compared to the neutral position in all vessels, independently of die side. Total obstruction of the flow was not observed. Our findings reveal a definitive decrease of blood flow velocity at the vertebrobasilar artery system provoked by rotation of the head in normal humans. This physiological phenomenon is suggested to have an impact on the cerebral blood flow in patients with impaired autoregulation of the cerebral vessels, low volume flow reserve in the contralateral VA or insufficient collateral channels because of normal anatomical variation, especially those patients under general anesthesia or comatose.

basilar artery; cerebrovascular disorders; hemodynamics; intraoperative care; posture; stroke; transcranial doppler sonography; ultrasonics; vertebral artery; vertebrobasilar insufficiency

Estudos anatômicos, angiografias em voluntários normais e relatos clínicos de pacientes com sintomas atestam o fato de que o fluxo sangüíneo através das artérias vertebrais (VA's) é parcialmente obstruído ao nível da articulação atlanto-axial (C1-C2) durante a rotação da cabeça. Variações anatômicas das artérias cerebrais basais, trauma e outros processos patológicos têm sido relacionados à compressão mecânica fisiológica das VA's na patogenia de insuficiência vertebrobasilar. No presente estudo, as alterações dinâmicas da velocidade do fluxo sangüíneo (BFV) nas artérias do sistema vertebrobasilar, provocadas por rotação da cabeça em voluntários adultos normais, são medidas com Doppler transcraniano (TCD). Material e métodos: 30 voluntários adultos (grupo 1) foram examinados com TCD das VA's (segmento intracraniano V4) e artéria basilar (BA). Em 8 indivíduos o estudo foi repetido com um instrumento de TCD de dois canais, permitindo o estudo simultâneo das VA's (grupo 2). A artéria basilar foi examinada com a técnica transforaminal e as VA's com o método transoccipital. Resultados: A BFV na BA e VA's diminuiu de modo significante durante rotação da cabeça no grupo 1, independentemente do lado da rotação (p<0.001). A mais acentuada diminuição do BFV ocorreu na VA do lado direito durante rotação ipsilateral (-18%). Alterações semelhantes foram notadas no grupo 2. Todavia, nesse grupo as alterações da BFV na VA do lado esquerdo não foram significantes (p=0.08), tanto à rotação ipsilateral quanto à contralateral. Comentários: A análise da relação entre a velocidade média do fluxo sangüíneo em dada artéria (V-média), a BFV medida com TCD (i.e. o componente máximo dos vetores de velocidade de fluxo no centro da artéria), o fluxo sangüíneo volumétrico e o fluxo sangüíneo cerebral regional (rCBF), sugere que a magnitude da diminuição da BFV registrada no presente estudo não reflete uma diminuição proporcional do rCBF, devido a existência de fluxo sangüíneo colateral do sistema arterial carotídeo (via artéria comunicante posterior) e, também, devido à possibilidade de que as alterações pós-estenóticas do fluxo sangüíneo interferem na relação entre BFV e V-média. Todavia, o presente estudo corrobora observações anteriores que sugerem ser a compressão mecânica das VA's ao nível C1-C2 um fenômeno presente no ser humano normal. A compressão das VA's pode assumir proporções críticas para o rCBF vertebrobasilar em pacientes com variações anatômicas ou com patologia oclusiva resultantes em compartimentalização do rCBF (i.e. casos em que a VA comprimida é funcionante como vaso terminal), em pacientes com distúrbio da auto-regulação da circulação cerebral ou com reduzida reserva cerebrovascular (e.g. pacientes com trauma crânio-encefálico e hipertensão intracraniana), especialmente pacientes comatosos ou sob anestesia geral.

artéria basilar; doença cerebrovascular; hemodinãmica; cuidado intra-operatório; postura; icto; sonografia; Doppler transcraniano; ultrassom; artéria vertebral; insuficiência vertebrobasilar

Changes of blood flow velocity indicating mechanical compression of the vertebral arteries during rotation of the head in the normal human measured with transcranial Doppler sonography

Alterações da velocidade do fluxo sanguíneo indicativas de compressão mecânica das artérias vertebrais durante rotação da cabeça registradas com Doppler transcraniano

Sandro Rossiti^I; Reinhard Volkmann^II

^IDepartment of Clinical Neurosciences, Section of Neurosurgery, Göteborg Univeristy

^IIDepartment of Clinical Physiology, Sahlgrenska University Hospital, Göteborg, Sweden

SUMMARY

The dynamical changes of blood flow velocity of the intracranial vertebral arteries (VA's) and proximal basilar artery (BA) provoked by rotation of the head in normal volunteers were measured using pulsed-wave transcranial Doppler sonography (TCD). In another group both VA's were examined simultaneously with 2-channel TCD. Blood flow velocities diminished compared to the neutral position in all vessels, independently of die side. Total obstruction of the flow was not observed. Our findings reveal a definitive decrease of blood flow velocity at the vertebrobasilar artery system provoked by rotation of the head in normal humans. This physiological phenomenon is suggested to have an impact on the cerebral blood flow in patients with impaired autoregulation of the cerebral vessels, low volume flow reserve in the contralateral VA or insufficient collateral channels because of normal anatomical variation, especially those patients under general anesthesia or comatose.

Key words: basilar artery, cerebrovascular disorders, hemodynamics, intraoperative care, posture, stroke, transcranial doppler sonography, ultrasonics, vertebral artery, vertebrobasilar insufficiency.

RESUMO

Estudos anatômicos, angiografias em voluntários normais e relatos clínicos de pacientes com sintomas atestam o fato de que o fluxo sangüíneo através das artérias vertebrais (VA's) é parcialmente obstruído ao nível da articulação atlanto-axial (C1-C2) durante a rotação da cabeça. Variações anatômicas das artérias cerebrais basais, trauma e outros processos patológicos têm sido relacionados à compressão mecânica fisiológica das VA's na patogenia de insuficiência vertebrobasilar. No presente estudo, as alterações dinâmicas da velocidade do fluxo sangüíneo (BFV) nas artérias do sistema vertebrobasilar, provocadas por rotação da cabeça em voluntários adultos normais, são medidas com Doppler transcraniano (TCD). Material e métodos: 30 voluntários adultos (grupo 1) foram examinados com TCD das VA's (segmento intracraniano V4) e artéria basilar (BA). Em 8 indivíduos o estudo foi repetido com um instrumento de TCD de dois canais, permitindo o estudo simultâneo das VA's (grupo 2). A artéria basilar foi examinada com a técnica transforaminal e as VA's com o método transoccipital. Resultados: A BFV na BA e VA's diminuiu de modo significante durante rotação da cabeça no grupo 1, independentemente do lado da rotação (p<0.001). A mais acentuada diminuição do BFV ocorreu na VA do lado direito durante rotação ipsilateral (-18%). Alterações semelhantes foram notadas no grupo 2. Todavia, nesse grupo as alterações da BFV na VA do lado esquerdo não foram significantes (p=0.08), tanto à rotação ipsilateral quanto à contralateral. Comentários: A análise da relação entre a velocidade média do fluxo sangüíneo em dada artéria (V-média), a BFV medida com TCD (i.e. o componente máximo dos vetores de velocidade de fluxo no centro da artéria), o fluxo sangüíneo volumétrico e o fluxo sangüíneo cerebral regional (rCBF), sugere que a magnitude da diminuição da BFV registrada no presente estudo não reflete uma diminuição proporcional do rCBF, devido a existência de fluxo sangüíneo colateral do sistema arterial carotídeo (via artéria comunicante posterior) e, também, devido à possibilidade de que as alterações pós-estenóticas do fluxo sangüíneo interferem na relação entre BFV e V-média. Todavia, o presente estudo corrobora observações anteriores que sugerem ser a compressão mecânica das VA's ao nível C1-C2 um fenômeno presente no ser humano normal. A compressão das VA's pode assumir proporções críticas para o rCBF vertebrobasilar em pacientes com variações anatômicas ou com patologia oclusiva resultantes em compartimentalização do rCBF (i.e. casos em que a VA comprimida é funcionante como vaso terminal), em pacientes com distúrbio da auto-regulação da circulação cerebral ou com reduzida reserva cerebrovascular (e.g. pacientes com trauma crânio-encefálico e hipertensão intracraniana), especialmente pacientes comatosos ou sob anestesia geral.

Palavras-chave: artéria basilar, doença cerebrovascular, hemodinãmica, cuidado intra-operatório, postura, icto, sonografia, Doppler transcraniano, ultrassom, artéria vertebral, insuficiência vertebrobasilar.

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Sandro Rossitti, MD - Department of Clinical Neurosciences, Section of Neurosurgery, Göteborg University -Sahlgrenska University Hospital - S-413 45 Göteborg - Sweden.

1. Aaslid R. Transcranial Doppler examination techniques. In Aaslid R (ed) Transcranial Doppler Sonography. Wien: Springer-Verlag, 1986, p 39-59.
2. Aaslid R. Visually evoked dynaminc blood flow response of the human cerebral circulation. Stroke 1987, 18: 771-775.
3. Aaslid R, Newell DW, Stooss R, Sorterberg W, Lindegaard K-F. Assessment of cerebral autoregulation dynamics by simultaneous arterial and venous transcranial Doppler. Stroke 1991, 22: 1148-1154.
4. Brautaset NJ. Provokable bilateral vertebral artery compression diagnosed with transcranial Doppler. Stroke 1992, 23: 288-291.
5. von Büdingen HJ, Staudacher T. Die Identifizierung der Arteria basilaris mit der transkraniellen Doppler-Sonographie. Ultraschall 1987, 8: 95-101.
6. Dahl A, Bjark P, Anke IM. Cerebrovasculaere komplikasjoner til manipulas jonsbehandling av nakken. Tidsskr Nor Laegeforen 1982, 102: 155-157.
7. Fujioka KA, Ernsberger AM, Nichols SC, Spencer MP. Transcranial Doppler assessment of mechanical compression of the vertebral arteries. J Vasc Technol 1991, 15: 254-259.
8. Giller CA. A bedside test for cerebral autoregulation using transcranial Doppler ultrasound. Acta Neurochir (Wien) 1991, 108: 7-14.
9. Hedera P, Bujdáková J, Traubner P. Blood flow velocities in basilar artery during rotation of the head. Acta Neurol Scand 1993, 88: 229-233.
10. Kontos HA. Validity of cerebral arterial blood flow calculations from velocity measurements. Stroke 1989, 20: 1-3.
11. Langmayr JJ, Buchberger W, Birbammer G. Ischãmische Lãsionen im Vertebralisstromgebiet als seltene Komplikation der lumbalen Diskuschirurgie. Neurochirurgia (Stuttgart) 1993, 36: 164-166.
12. Malm J, Olsson T. Cervikal manipulation -är det verkligen försvarbart? Läkartidningen 1992, 89: 1992.
13. Nielsen AA. Cerebrovasculaere insulter foraarsaget af manipulation af columna cervicallis. Ugeskr Laeger 1984, 146: 3267-3270.
14. Roche L, Colin M, De Rougemont J, Verdine J, Vitni C, Tommasi M. Lesions traumatiques de la colonne cervicale et atteintes de 1'artère vertébrale: responsabilité d'un examen medical. Ann Med Lég 1963, 43: 232-235.
15. Rossitti S. Biomechanics of the pons-cord tract and its enveloping structures: an overview. Acta Neurochir (Wien) 1993, 124: 144-152.
16. Rossitti S, Jakobsson K-E, Johansson A, von Essen C. Survival and recovery after ring fracture of the skull base. Upsala J Med Sci Suppl 1993, 52: 62.
17. Rossitti S, Stephensen H. Temporal heterogeneity of the blood flow velocity at the middle cerebral artery in the normal human characterized by fractal analysis. Acta Physiol Scand 1994, 151: 191-198.
18. Rossitti S, Volkmann R, Löfgren J. Changes of blood flow velocity in the vertebrobasilar circulation during rotation of the head in the normal human. Biomechanics Seminar 1992, 6: 92-99.
19. Rossitti S, Volkmann R, Löfgren J. Mechanical compression of the vertebral arteries during rotation of the head in the normal human: a Doppler study. 44th Annual Meeting of the Scandinavian Neurosurgical Society, Tampere, Finland, June 10-13, 1992: abstr 59.
20. Rossitti S, Volkmann R, Stephensen H. The transoccipital approach for transcranial Doppler ultrasonography of the vertebrobasilar circulation. Neurochirurgia (Stuttgart) 1993, 36: 148-150.
21. Sakai F, Ishii K, Igarashi H, Suzuki S, Kitai N, Kanda T, Tazaki Y. Regional cerebral blood flow during an attack of vertebrobasilar insufficiency. Stroke 1988, 19: 1426-1430.
22. Sherman DG, Hart RG, Easton JD. Abrupt change in head position and cerebral infarction. Stroke 1981, 12: 2-6.
23. Shimizu T, Waga S, Kojima T, Niwa S. Decompression of the vertebral artery for bow-hunter's stroke: case report. J Neurosurg 1988, 69: 127-131.
24. Sorterberg W, Lindegaard K-F, Rootwelt K, Dahl A, Russell D, Nyberg-Hansen R, Nornes H. Blood velocity and regional blood flow in defined cerebral artery systems. Acta Neurochir (Wien) 1989, 97: 47-52.
25. Sugita K. Microneurosurgical Atlas. Berlin: Springer-Verlag, 1985.
26. Symon L (ed). Operative surgery: neurosurgery. Ed 3. London: Butterworths, 1979.
27. Takahashi I, Kaneto S, Asaoka K, Handa T. Rotational occlusion of the vertebral artery at the atlantoaxial joint: is it truly physiological? Neuroradiology 1994, 36: 273-275.
28. Tew JM Jr, Scodary DJ. Supratentorial procedures: basic techniques and surgical positioning. In Apuzzo MJL (ed). Brain surgery: complication avoidance and management. New York: Churchill Livingstone, 1993, Vol 1, p 31-50.
29. Tew JM Jr, Scodary DJ. Infratentorial procedures: surgical positioning. In Apuzzo MJL (ed). Brain surgery: complication avoidance and management. New York: Churchill Livingstone, 1993, Vol 2, p 1609-1620.
30. Volc D, Possnigg G, Grisold W, Neuhold A. Transcranial Doppler sonography of the vertebro-basilar system. Acta Neurochir (Wien) 1988, 90: 136-138.

Publication Dates

Publication in this collection
19 Jan 2011
Date of issue
Mar 1995

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

[1] 1. Aaslid R. Transcranial Doppler examination techniques. In Aaslid R (ed) Transcranial Doppler Sonography. Wien: Springer-Verlag, 1986, p 39-59.

[2] 2. Aaslid R. Visually evoked dynaminc blood flow response of the human cerebral circulation. Stroke 1987, 18: 771-775.

[3] 3. Aaslid R, Newell DW, Stooss R, Sorterberg W, Lindegaard K-F. Assessment of cerebral autoregulation dynamics by simultaneous arterial and venous transcranial Doppler. Stroke 1991, 22: 1148-1154.

[4] 4. Brautaset NJ. Provokable bilateral vertebral artery compression diagnosed with transcranial Doppler. Stroke 1992, 23: 288-291.

[5] 5. von Büdingen HJ, Staudacher T. Die Identifizierung der Arteria basilaris mit der transkraniellen Doppler-Sonographie. Ultraschall 1987, 8: 95-101.

[6] 6. Dahl A, Bjark P, Anke IM. Cerebrovasculaere komplikasjoner til manipulas jonsbehandling av nakken. Tidsskr Nor Laegeforen 1982, 102: 155-157.

[7] 7. Fujioka KA, Ernsberger AM, Nichols SC, Spencer MP. Transcranial Doppler assessment of mechanical compression of the vertebral arteries. J Vasc Technol 1991, 15: 254-259.

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[12] 12. Malm J, Olsson T. Cervikal manipulation -är det verkligen försvarbart? Läkartidningen 1992, 89: 1992.

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[14] 14. Roche L, Colin M, De Rougemont J, Verdine J, Vitni C, Tommasi M. Lesions traumatiques de la colonne cervicale et atteintes de 1'artère vertébrale: responsabilité d'un examen medical. Ann Med Lég 1963, 43: 232-235.

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[17] 17. Rossitti S, Stephensen H. Temporal heterogeneity of the blood flow velocity at the middle cerebral artery in the normal human characterized by fractal analysis. Acta Physiol Scand 1994, 151: 191-198.

[18] 18. Rossitti S, Volkmann R, Löfgren J. Changes of blood flow velocity in the vertebrobasilar circulation during rotation of the head in the normal human. Biomechanics Seminar 1992, 6: 92-99.

[19] 19. Rossitti S, Volkmann R, Löfgren J. Mechanical compression of the vertebral arteries during rotation of the head in the normal human: a Doppler study. 44th Annual Meeting of the Scandinavian Neurosurgical Society, Tampere, Finland, June 10-13, 1992: abstr 59.

[20] 20. Rossitti S, Volkmann R, Stephensen H. The transoccipital approach for transcranial Doppler ultrasonography of the vertebrobasilar circulation. Neurochirurgia (Stuttgart) 1993, 36: 148-150.

[21] 21. Sakai F, Ishii K, Igarashi H, Suzuki S, Kitai N, Kanda T, Tazaki Y. Regional cerebral blood flow during an attack of vertebrobasilar insufficiency. Stroke 1988, 19: 1426-1430.

[22] 22. Sherman DG, Hart RG, Easton JD. Abrupt change in head position and cerebral infarction. Stroke 1981, 12: 2-6.

[23] 23. Shimizu T, Waga S, Kojima T, Niwa S. Decompression of the vertebral artery for bow-hunter's stroke: case report. J Neurosurg 1988, 69: 127-131.

[24] 24. Sorterberg W, Lindegaard K-F, Rootwelt K, Dahl A, Russell D, Nyberg-Hansen R, Nornes H. Blood velocity and regional blood flow in defined cerebral artery systems. Acta Neurochir (Wien) 1989, 97: 47-52.

[25] 25. Sugita K. Microneurosurgical Atlas. Berlin: Springer-Verlag, 1985.

[26] 26. Symon L (ed). Operative surgery: neurosurgery. Ed 3. London: Butterworths, 1979.

[27] 27. Takahashi I, Kaneto S, Asaoka K, Handa T. Rotational occlusion of the vertebral artery at the atlantoaxial joint: is it truly physiological? Neuroradiology 1994, 36: 273-275.

[28] 28. Tew JM Jr, Scodary DJ. Supratentorial procedures: basic techniques and surgical positioning. In Apuzzo MJL (ed). Brain surgery: complication avoidance and management. New York: Churchill Livingstone, 1993, Vol 1, p 31-50.

[29] 29. Tew JM Jr, Scodary DJ. Infratentorial procedures: surgical positioning. In Apuzzo MJL (ed). Brain surgery: complication avoidance and management. New York: Churchill Livingstone, 1993, Vol 2, p 1609-1620.

[30] 30. Volc D, Possnigg G, Grisold W, Neuhold A. Transcranial Doppler sonography of the vertebro-basilar system. Acta Neurochir (Wien) 1988, 90: 136-138.

Brasil

Brasil

Changes of blood flow velocity indicating mechanical compression of the vertebral arteries during rotation of the head in the normal human measured with transcranial Doppler sonography

Alterações da velocidade do fluxo sanguíneo indicativas de compressão mecânica das artérias vertebrais durante rotação da cabeça registradas com Doppler transcraniano

Abstracts

Publication Dates