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Ecografía Doppler Transcraneal en Cuidados Intensivos Pediátricos



El físico austríaco Christian Andreas Doppler propuso por primera vez el efecto que llevaría su nombre en 1842 en su tratado "Über das farbige Licht der Doppelsterne und einiger anderer Gestirne des Himmels" (Sobre la luz coloreada de las estrellas dobles y algunas otras estrellas en el cielo). Buys Ballot probó la hipótesis de las ondas sonoras en 1845. Confirmó que el tono del sonido era más alto que la frecuencia emitida cuando la fuente de sonido se acercaba a él, y más bajo que la frecuencia emitida cuando la fuente de sonido se alejaba de él. Este es el principio utilizado en los equipos Doppler. En la vida diaria podemos atestiguar fácilmente este fenómeno cuando se acerca una ambulancia. La sirena se volverá más alto que su tono estacionario, se deslizará hacia abajo a medida que pasa y continuará más bajo que su tono estacionario a medida que se aleja de nosotros.


La ecografía Doppler transcraneal (DTC) es un método no invasivo para determinar las velocidades del flujo sanguíneo en las arterias cerebrales basales (FSACB). Rune Aaslid fue el primero en describir esta técnica en 1982, después de experimentos en cincuenta adultos sanos. Su método se sigue utilizando en la actualidad, aunque las indicaciones de la DTC han superado claramente a las sugeridas inicialmente: vasoespasmo tras hemorragia subaracnoidea y enfermedad arterial oclusiva.


Las principales indicaciones en niños son: monitorización del riesgo de ictus en pacientes con drepanocitosis, monitorización de la hemodinámica cerebral en pacientes en unidades de cuidados intensivos tras un trauma craneoencefálico (TCE) u otros eventos neurovasculares, como prueba auxiliar en el diagnóstico de muerte encefálica y para la evaluación de la vasculatura cerebral en accidente cerebrovascular.


Algunos autores lo han utilizado como método indirecto y no invasivo para estimar la presión intracraneal (PIC). Se ha demostrado que el índice de pulsatilidad (IP) derivado de DTC tiene una correlación decente con la presión de perfusión cerebral (PPC) y la PIC, pero otros informes afirman que estos puntos aún son controvertidos. Sin embargo, las guías actuales para el tratamiento de niños con TCE no recomiendan su uso en la práctica clínica debido a la falta de evidencia. Las pautas de Brain Trauma Foundation 2019 para TCE en niños ni siquiera mencionan el DTC, excepto por una breve cita del índice de autorregulación que usa la relación entre la PPC y la velocidad del flujo en la arteria cerebral media para calcular la resistencia cerebrovascular.


Curiosamente, una encuesta reciente de 27 centros que brindan servicios de atención neurocrítica pediátrica reveló que el 93% usa DTC. Con mayor frecuencia, el DTC se utilizó en la evaluación y el tratamiento de pacientes con hemorragia intracraneal o subaracnoidea, accidente cerebrovascular arterial isquémico y lesión cerebral traumática. Motivado por la falta de directrices y el uso generalizado de DTC en todo el mundo, muy recientemente un panel de expertos multidisciplinarios emitió recomendaciones prácticas para el uso de DTC en niños críticamente enfermos. Aunque esta declaración de consenso representa un paso importante en el establecimiento del DTC como una técnica útil en la UCIP, carece de aspectos importantes de la evaluación del DTC como valores normativos para el índice de pulsatilidad o vasoespasmo.


Un uso más reciente y en expansión de los DTC en la atención neurocrítica es la evaluación y el seguimiento de la autorregulación cerebral. Los primeros experimentos sobre el uso de DTC para acceder a la autorregulación se remontan a la última década del siglo XX, con Aaslid y Diehl estableciendo los principios que llevaron a Czosnyka et al. a describir cómo usar el DTC para monitorear la autorregulación en pacientes con TCE por primera vez en 1996. Se describieron dos índices de autorregulación: índice medio (Mx) definido como el coeficiente de correlación entre la velocidad media del flujo y la PPC y el índice sistólico (Sx) como el coeficiente de correlación entre la velocidad del flujo sistólico y la PPC. Además, demostraron que los valores positivos de Mx y Sx significan reactividad cerebrovascular gravemente alterada, lo que predice un mal resultado.


Después de más de 30 años, uno de los mayores desafíos en el uso de señales DTC para evaluar la autorregulación es el requisito de registrar las velocidades de flujo durante un largo período de tiempo. Esto se puede lograr con los soportes de la sonda, pero la señal se puede perder fácilmente con el posicionamiento del paciente o con un movimiento espontáneo. Los niños representan un desafío adicional debido a los diferentes tamaños de cabeza y a que algunos soportes son difíciles de usar en niños pequeños. Más recientemente, los nuevos dispositivos que utilizan sondas robóticas permiten un monitoreo continuo durante períodos de tiempo prolongados con buenos resultados durante al menos 4 horas de monitoreo.


Para ilustrar mejor cómo usamos el DTC en nuestra práctica diaria, presentaremos algunos ejemplos de diferentes escenarios clínicos donde el DTC fue crucial para el manejo del paciente:


Caso 1

Paciente masculino de 17 años con hidrocefalia conocida y derivación ventriculoperitoneal que acudió al servicio de urgencias por cefalea. El neurólogo pediatra le había diagnosticado migraña, pero el dolor de cabeza persistía a pesar del tratamiento médico. El examen oftalmológico y la tomografía computarizada (TC) no fueron concluyentes y el neurocirujano solicitó un DTC. El índice de pulsatilidad (IP) estaba elevado (1,6), la presión arterial fue normal (123/66 mmHg) y la forma de onda del DTC sugirió hipertensión intracraneal. La decisión de operar se basó en este resultado y tras revisar el shunt ventriculoperitoneal se normalizó el IP (figura 1) y mejoró la cefalea.



Figura 1. DTC de un paciente masculino de 17 años con hidrocefalia y TC no concluyente que fue intervenido por un índice de pulsatilidad (IP) elevado de 1,61 (A). Tras revisar el shunt ventricular se normalizó el IP (B).








Caso 2

Una joven de diecisiete años fue trasladada de un hospital de distrito con un TCE grave tras un accidente de tránsito. Una TC en el hospital de referencia mostró un hematoma subdural en el lado izquierdo. Al ingreso a urgencias estaba sedada y ventilada (PaCO2 = 39,5 mmHg), con hipertensión arterial (168/96 mmHg) y se le realizó un DTC urgente que reveló un flujo sanguíneo gravemente comprometido en la arteria cerebral media izquierda (Flujo medio = 18 cm/s, flujo diastólico = 10 cm/s, IP = 3,6). Se cambió el plan inicial de seguimiento de la PIC en la UCIP y fue trasladada de inmediato al quirófano. Tras drenar un gran hematoma intracraneal, el DTC mostró velocidades e IP normales (figura 2).



Figura 2. Exploraciones con DTC en una niña de 17 años con TCE grave que revela una afectación grave del flujo sanguíneo en la arteria cerebral media izquierda (A). Después de drenar un gran hematoma subdural, el DTC mostró velocidades w IP normales (B).





Caso 3

Una joven de dieciséis años sufrió una lesión cerebral traumática y extensas lesiones por abrasión tras caerse de un caballo y ser arrastrada durante varios minutos. Se insertó un perno de PIC y la monitorización invasiva reveló una PIC de 8 mmHg. No obstante, se realizó un DTC y se observó un IP aumentado (1,6) (figura 3). La presión arterial era baja (85/44 mmHg) debido al choque hipovolémico y el IP estaba alto, lo que reflejaba una disminución de la presión de perfusión cerebral. La PPC medida fue de 51 mmHg. En este caso, los resultados del DTC motivaron el tratamiento con bolos de líquidos para aumentar la presión arterial y optimizar el flujo sanguíneo cerebral. Después de restaurar la normovolemia, la presión arterial se normalizó y también lo hicieron las velocidades de flujo y el IP, que disminuyó a 0,9.



Figura 3. DTC de una niña de 16 años con TCE grave con PIC normal e IP elevado por choque hipovolémico y disminución de la presión de perfusión cerebral (A). Después de bolos de líquidos para optimizar el flujo sanguíneo cerebral, mejoró el IP (B).






Caso 4

Un niño de once años ingresó a la UCIP con septicemia meningocócica grave. Tras 48h de tratamiento intensivo con bolos de líquidos, inotrópicos, esteroides, transfusiones de sangre y fasciotomías extensas de miembros inferiores, presentó un deterioro neurológico brusco con pupilas dilatadas, ausencia de respiración espontánea y sin reacción a estímulos externos. Un DTC urgente confirmó un IP muy alto (7,3) con hipertensión arterial (154/102 mmHg), compatible con hipertensión intracraneal grave y afectación grave del flujo sanguíneo cerebral sin flujo diastólico (figura 4). La tomografía computarizada del cerebro confirmó un edema cerebral intenso y el paciente finalmente murió.






Figura 4. DTC de un niño de 11 años con septicemia meningocócica que presentó deterioro neurológico a las 48h del ingreso, mostrando una afectación grave del flujo sanguíneo cerebral sin flujo diastólico. La TC del cerebro confirmó un intenso edema cerebral.



Caso 5

Un lactante de 4 meses ingresó en la sala de enfermedades infecciosas con meningitis neumocócica y empiema subdural. Los neurocirujanos se mostraron reacios a operar a un niño tan pequeño debido a la falta de indicaciones claras para el drenaje en este grupo de edad. El niño estaba despierto y mostraba signos de irritabilidad, pero por lo demás estaba estable. Como no mejoraba se le realizó un DTC y la decisión de drenar el empiema se basó en un IP elevado (1,9) con hipertensión arterial leve (100/68 mmHg) y normocapnia, que se interpretó como signo de elevación de la PIC. Tras el drenaje se repitió la DTC y el IP fue normal (figura 5).



Figura 5. DTC de un lactante de 4 meses con meningitis bacteriana y empiema subdural. La decisión de drenar el empiema se basó en un IP elevado en el TCD, que se interpretó como un signo de PIC elevada (A). Después de la cirugía, el IP fue normal (B).





Discusión


La evaluación del flujo sanguíneo cerebral es fundamental en muchos procesos patológicos. El DTC es una técnica de cabecera no invasiva que permite la medición directa de las velocidades del flujo sanguíneo en las arterias intracraneales. Suponiendo que el diámetro de la arteria insonada sea constante, los cambios en las velocidades de flujo adquiridas por Doppler reflejan cambios en el flujo sanguíneo cerebral a través de esa arteria.


La medición de las velocidades del flujo sanguíneo nos permite calcular índices basados ​​en las velocidades del flujo sistólico, medio y diastólico. Uno de ellos es el índice de pulsatilidad (IP) de Gosling que se calcula a partir de la relación entre las velocidades de flujo sistólico y diastólico dividido por la velocidad de flujo media. El IP se ha utilizado ampliamente como una estimación de la PIC en adultos, pero su uso en niños todavía es limitado. Aunque se ha interpretado en gran medida como una medida de la resistencia vascular cerebral (RVC), se ha sugerido que el IP es una función compleja de varios factores hemodinámicos y no solo del RVC. En primer lugar, es una función inversa de la presión de perfusión cerebral (PPC), por lo que aumenta tanto con PAM baja como con PIC elevada. También aumenta con PaCO2 baja, ya que la hipocapnia aumenta el RVC. Como muestra nuestro caso 3, el IP puede incrementarse incluso ante una PIC normal. En este caso refleja mejor la PPC que la PIC e incluso si en la mayoría de los casos la PIC y la PPC estarán inversamente relacionadas, debemos tener en cuenta la presión arterial para interpretar correctamente el IP. En nuestra opinión, el IP es una buena medida de PPC y cuanto mayor es el IP, menor es el PPC. En la práctica clínica, poder estimar la PPC es extremadamente importante porque, en última instancia, lo que importa en el paciente es asegurar una perfusión adecuada del tejido cerebral.


El DTC es una herramienta valiosa para evaluar el flujo sanguíneo cerebral en el departamento de emergencias pediátricas y la unidad de cuidados intensivos. Un médico o técnico calificado puede evaluar rápidamente al paciente siempre que tenga una buena ventana acústica. Afortunadamente, la mayoría de los pacientes pediátricos la tienen. Esto significa que en unos pocos minutos, con el equipo y la experiencia adecuados, se puede saber qué tan comprometida está la perfusión del cerebro.


Si se usa con prudencia en el departamento de emergencias, puede ayudar a tomar decisiones rápidas en los casos en que no sea obvio cuál sería el mejor enfoque. Lo hemos utilizado muchas veces para decidir si los niños con hidrocefalia que acuden a la sala de emergencias con síntomas clínicos de hipertensión intracraneal necesitan revisión de su derivación o si pueden ser tratados de forma conservadora. En todos los casos en los que la DTC sugirió un aumento de la PIC, el neurocirujano lo confirmó durante la cirugía.


La lesión cerebral traumática es definitivamente una de las principales indicaciones para el uso de DTC en la UCIP, pero también lo hemos utilizado con éxito en muchos otros escenarios como hidrocefalia, choque, muerte cerebral, infecciones del sistema nervioso central y accidente cerebrovascular. En el caso de un accidente cerebrovascular isquémico agudo, es posible documentar la oclusión del vaso afectado y, en casos seleccionados, controlar la reperfusión mientras se trata con trombólisis intravenosa. Lo hemos logrado con éxito en un niño de 14 años con un ictus isquémico agudo. El tratamiento se realizó bajo monitorización ecográfica Doppler transcraneal y se documentó la recanalización de la arteria cerebral media izquierda durante los primeros 5 minutos de perfusión de r-TPA. También lo hemos utilizado en pacientes durante la oxigenación por membrana extracorpórea (ECMO). Estos pacientes no son fáciles de mover y una prueba de cabecera es de suma importancia. En estos casos hay que tener en cuenta el flujo no pulsátil del sistema ECMO, especialmente en pacientes con ECMO venoarterial. No obstante, podría ser determinante en los casos de sospecha de ictus que, lamentablemente, es uno de los riesgos de los pacientes sometidos a esta técnica de circulación extracorpórea.


Otra función bien establecida de la DTC es el diagnóstico y la monitorización del vasoespasmo después de una hemorragia subaracnoidea (HSA). El estudio fundamental de Lindegaard et al. mostró que había una clara relación inversa entre el diámetro de la MCA y la velocidad de flujo de la MCA. También estableció el límite de una velocidad de flujo media superior a 140 cm/s para definir un vasoespasmo significativo. A esta velocidad, el diámetro del MCA se reduce a la mitad de su diámetro original, disminuyendo de 3 a 1,5 mm. Muchos autores han validado estos resultados y la evaluación del vasoespasmo después de la HSA es probablemente la indicación más común de DTC en la atención neurocrítica. No obstante, los resultados deben interpretarse con cautela porque las velocidades intermedias (velocidad media de flujo en MCA 120-200 cm/s) pueden no tener una buena correlación con los hallazgos angiográficos. En nuestra unidad monitorizamos a todo niño con HAS con DTC en días alternos y diariamente si hay vasoespasmo, aunque no existen valores normativos para niños con HSA. Usamos los valores de referencia para adultos y el cociente de Lindegaard para excluir la hiperemia en casos seleccionados.


Los casos presentados son escenarios paradigmáticos donde el DTC ayudó al manejo clínico. Seleccionamos estos casos porque son ejemplos de condiciones diarias que requieren una comprensión de la hemodinámica cerebral para guiar la terapia. Estos casos incluyen causas frecuentes de hipertensión intracraneal como lesión cerebral traumática, hidrocefalia e infección del sistema nervioso central; también describimos un caso de disminución de la presión de perfusión cerebral en el choque hipovolémico para llamar la atención sobre el hecho de que el IP puede incrementarse con una PIC normal si la PPC está comprometida debido a la presión arterial baja; finalmente también damos un ejemplo de una aplicación común de DTC en el diagnóstico de un paro circulatorio cerebral inminente o incluso un paro circulatorio completo donde puede ayudar a establecer la muerte cerebral. Esto es particularmente útil en los casos en los que los criterios clínicos de muerte del tronco encefálico no pueden aplicarse por sí solos, por ejemplo, si hay sustancias sedantes en circulación.


El DTC no sustituye a otras técnicas establecidas de neuromonitorización, pero debe incluirse en la monitorización multimodal como una herramienta útil para estimar el flujo sanguíneo cerebral. El DTC es económico, no invasivo, en tiempo real, inofensivo, fácil de realizar con el entrenamiento correcto y se puede realizar en casi todos los entornos sin tener que mover al paciente. Puede repetirse según sea necesario, pero la monitorización continua durante más de 30 a 60 minutos sigue siendo un desafío. Actualmente se están desarrollando y probando nuevas tecnologías que probablemente permitirán que el seguimiento continuo sea factible en un futuro próximo.



Conclusiones


El DTC es una herramienta de monitorización de cabecera no invasiva que se puede utilizar en diferentes entornos y ayuda a tomar decisiones clínicas. Creemos que un uso más generalizado de esta técnica económica permitiría una mejor atención de los niños con lesiones neurológicas y que realmente constituye un "estetoscopio para el cerebro".



Francisco Abecasis, MD, PhD

Pediatric Intensivist, Hospital de Santa Maria - Centro Hospitalar Universitário Lisboa Norte, Portugal

Assistant Professor of Pediatrics, Faculdade de Medicina da Universidade de Lisboa, Portugal



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Transcranial Doppler sonography in pediatric intensive care



The Austrian physicist Christian Andreas Doppler first proposed the effect that would be named after him in 1842 in his treatise "Über das farbige Licht der Doppelsterne und einiger anderer Gestirne des Himmels" (On the coloured light of the double stars and some other stars of the heavens). Buys Ballot tested the hypothesis for sound waves in 1845. He confirmed that the sound's pitch was higher than the emitted frequency when the sound source approached him, and lower than the emitted frequency when the sound source receded from him. This is the principle used in Doppler equipment. In daily life we can easily testify this phenomenon when an ambulance is approaching. The siren will start out higher than its stationary pitch, slide down as it passes, and continue lower than its stationary pitch as it moves away from us.


Transcranial Doppler ultrasonography (TCD) is a non-invasive method of determining the blood flow velocities in the basal cerebral arteries (CBFV). Rune Aaslid was the first to describe this technique in 1982, after experiments in fifty healthy adults. His method is still used nowadays, although the indications for TCD have clearly surpassed the ones he initially suggested: vasospasm after subarachnoid haemorrhage and arterial occlusive disease.


The main indications in children are: monitoring patients with sickle cell anaemia for the risk of stroke, monitoring cerebral haemodynamics in patients in intensive care units following traumatic brain injury (TBI) or other neurovascular events, as an ancillary test in the diagnosis of brain death and for evaluation of the cerebral vasculature in stroke.


Some authors have used it as an indirect and non-invasive method to estimate intracranial pressure (ICP). TCD derived pulsatility index (PI) has been shown to have a decent correlation with cerebral perfusion pressure (CPP) and ICP, but other reports state that these points are still controversial. However, current guidelines for treatment of children with TBI do not recommend its use in clinical practice because of the lack of evidence. The Brain Trauma Foundation 2019 guidelines for TBI in children do not even mention TCD, except for a brief citation of the auto-regulatory index that uses the ratio of CPP to flow velocity in the middle cerebral artery to calculate cerebrovascular resistance.


Interestingly, a recent survey of 27 centres that provide paediatric neurocritical care services revealed that 93% use TCD. Most commonly, TCD was used in the evaluation and management of patients with intracranial/subarachnoid haemorrhage, arterial ischemic stroke and traumatic brain injury. Motivated by the lack of guidelines and widespread use of TCD around the world, very recently a panel of multidisciplinary experts issued practice recommendations for the use of TCD in critically ill children. Although this consensus statement represents an important step in the establishment of TCD as a useful technique in PICU, it lacks important aspects of the TCD evaluation as normative values for the pulsatility index or vasospasm.


A more recent and expanding use of TCD in neurocritical care is evaluation and monitoring of cerebral autoregulation. The first experiments on the use of TCD to access autoregulation date back to the last decade of the XX century, with Aaslid and Diehl setting the principles that led Czosnyka et al. to describe how to use TCD to monitor autoregulation in TBI patients for the first time in 1996. Two indices of autoregulation were described: mean index (Mx) defined as the correlation coefficient between mean flow velocity and CPP and systolic index (Sx) as the correlation coefficient between systolic flow velocity and CPP. They further demonstrated that positive values of Mx and Sx signify severely disturbed cerebrovascular reactivity, which is predictive of a poor outcome.


After more than 30 years, one of the major challenges in using TCD signals to evaluate autoregulation is the requirement to record flow velocities for a long period of time. This can be accomplished with probe holders, but the signal can easily be lost with positioning of the patient or spontaneous movement. Children represent an additional challenge because of different head sizes and some holders are difficult to use in small children. More recently, new devices using robotic probes allow for continuous monitoring over extended time periods with good results for at least 4 hours of monitoring.


To better illustrate how we use TCD in our daily practice we will present some examples of different clinical scenarios where TCD was crucial for managing the patient:


Case 1

A seventeen year-old boy with known hydrocephalus and a ventriculoperitoneal shunt presented to the emergency department with headache. He had been diagnosed with migraine by the paediatric neurologist, but the headache persisted despite medical treatment. Ophthalmological examination and CT scan were inconclusive and the neurosurgeon asked for a TCD. Pulsatility index (PI) was increased (1.6), blood pressure was normal (123/66 mmHg) and the TCD waveform suggested intracranial hypertension. The decision to operate was based on this result and after reviewing the ventriculoperitoneal shunt the PI normalized (figure 1) and headache improved.



Figure 1. TCD of a 17 year-old boy with hydrocephalus and inconclusive CT scan that was operated based on an increased pulsatility index (PI) of 1.61 (A). After reviewing the ventricular shunt the PI normalized (B).








Case 2

A seventeen year-old girl was transferred from a district hospital with severe TBI after a road traffic accident. A computed tomography (CT) scan at the referring hospital showed a subdural hematoma on the left side. At admission in the emergency department she was sedated and ventilated (PaCO2 = 39.5 mmHg), with high arterial blood pressure (168/96 mmHg) and an urgent TCD was performed revealing severely compromised blood flow in the left middle cerebral artery (Mean flow= 18 cm/s, diastolic flow= 10 cm/s, PI= 3.6). The initial plan of monitoring ICP in the PICU was changed and she was immediately transferred to the operating room. After draining a large intracranial hematoma, TCD showed normal velocities and PI (figure 2).




Figure 2. TCD examinations in a 17 year-old girl with severe TBI revealing severe compromise of blood flow in the left middle cerebral artery (A). After draining a large subdural haematoma, TCD showed normal velocities and PI (B).







Case 3

A sixteen year-old girl suffered a TBI and extensive abrasion lesions after falling from a horse and being dragged for several minutes. An ICP bolt was inserted and invasive monitoring revealed an ICP of 8 mmHg. Nonetheless, a TCD was performed and PI was increased (1.6) (figure 3). Blood pressure was low (85/44 mmHg) due to hypovolemic shock and PI was high, reflecting decreased cerebral perfusion pressure. Measured CPP (ABP-ICP) was 51 mmHg. On this case, TCD results prompted treatment with fluid boluses in order to increase blood pressure and optimize cerebral blood flow. After restoring normovolaemia, blood pressure normalized and so did the flow velocities and PI, that decreased to 0.9.



Figure 3. TCD of a 16 year-old girl with severe TBI with normal ICP and raised PI due to hypovolemic shock and decreased cerebral perfusion pressure (A). After fluid boluses in order to optimize cerebral blood flow PI improved (B)







Case 4

An eleven year-old boy was admitted to the paediatric intensive care unit (PICU) with severe meningococcal septicaemia. After 48h of intensive treatment with fluid boluses, inotropes, steroids, blood transfusions and extensive fasciotomies of the lower limbs, he had a sudden neurologic deterioration with dilated pupils, absence of spontaneous respiratory trigger and no reaction to external stimuli. An urgent TCD confirmed very high PI (7.3) with arterial hypertension (154/102 mmHg), compatible with severe intracranial hypertension and severe compromise to cerebral blood flow with no diastolic flow (figure 4). CT scan of the brain confirmed severe cerebral oedema and the patient eventually died.







Figure 4. TCD of an 11 year-old boy with meningococcal septicaemia that had neurologic deterioration 48h after admission, showing severe compromise to cerebral blood flow with no diastolic flow. Computed tomography of the brain confirmed severe cerebral oedema.



Case 5

A 4-month-old infant was admitted to the infectious diseases ward with pneumococcal meningitis and a subdural empyema. The neurosurgeons were reluctant to operate on such a small child due to lack of clear indications for drainage in this age group. The child was awake and showed signs of irritability, but was otherwise stable. As she was not improving a TCD was performed and the decision to drain the empyema was based on a raised PI (1.9) with mild arterial hypertension (100/68 mmHg) and normocapnia, which was interpreted as a sign of raised ICP. After drainage TCD was repeated and the PI was normal (figure 5).


Figure 5. TCD of a 4-month-old infant with bacterial meningitis and subdural empyema. Decision to drain the empyema was based in a raised PI on the TCD, which was interpreted as a sign of raised ICP (A). After surgery PI was normal (B).







Discussion


Evaluating cerebral blood flow is essential in many disease processes. TCD is a non-invasive, bedside, technique that allows direct measurement of blood flow velocities in intracranial arteries. Assuming the diameter of the insonated artery is constant, changes in the Doppler acquired flow velocities reflect changes in cerebral blood flow through that artery.


Measuring blood flow velocities allows us to calculate indices based on systolic, mean and diastolic flow velocities. One of those is the Gosling pulsatility index (PI) that is calculated from the relationship between systolic and diastolic flow velocities divided by the mean flow velocity. PI has been extensively used as an estimate of ICP in adults, but its use in children is still limited. Although it has been largely interpreted as a measure of cerebral vascular resistance (CVR), it has been suggested that PI is a complex function of various hemodynamic factors and not only of CVR. First of all it is an inverse function of cerebral perfusion pressure (CPP), so, it increases both with low MAP or raised ICP. It also increases with low PaCO2, as hypocapnia raises CVR. As our case 3 shows, PI can be increased even in face of normal ICP. In this case it reflects CPP better than ICP and even if in most cases ICP and CPP will be inversely related we must take arterial blood pressure into account in order to correctly interpret PI. In our opinion PI is a good measure of CPP and the higher the PI the lower the CPP. In clinical practice, being able to estimate CPP is extremely important because ultimately what matters to the patient is assuring adequate perfusion of the brain tissue.


TCD is a valuable tool to assess cerebral blood flow in the paediatric emergency department and the intensive care unit. A qualified doctor or technician can quickly evaluate the patient providing it has a good acoustic window. Fortunately, most paediatric patients do. This means that in a few minutes, with the proper equipment and expertise, one can tell how compromised is perfusion to the brain.


If used judiciously in the emergency department it can help to make quick decisions in cases where it is not obvious what the best approach would be. We have used it many times to decide if children with hydrocephalus, presenting to the emergency room with clinical symptoms of raised ICP, need revision of their shunt or if they can be managed conservatively. In every case where TCD was suggestive of raised ICP this was confirmed by the neurosurgeon during surgery.


Traumatic brain injury is definitely one of the major indications for using TCD in the PICU, but we have also used it successfully in many other scenarios like hydrocephalus, shock, brain death, central nervous system infections and stroke. In the case of an acute ischemic stroke it is possible to document the occlusion of the affected vessel and in selected cases monitor reperfusion while treating with intravenous thrombolysis. We have done it successfully in a 14 year-old boy with an acute ischemic stroke. The treatment was performed under transcranial Doppler ultrasound monitoring, and recanalization of the left middle cerebral artery was documented during the first 5 minutes of r-TPA perfusion. We have also used it in patients during extracorporeal membrane oxygenation (ECMO). These patients are not easy to move and a bedside test is of utmost importance. In these cases we have to take into consideration the nonpulsatile flow of the ECMO system, particularly in patients with veno-arterial ECMO. Nonetheless, it could be determinant in cases of suspected stroke that unfortunately is one of the risks of the patients submitted to this technique of extracorporeal circulation.


Another well established role for TCD is diagnosis and monitoring of vasospasm after subarachnoid haemorrhage (SAH). The seminal study from Lindegaard et al. showed that there was a clear inverse relationship between the MCA diameter and MCA flow velocity. He also established the limit of a mean flow velocity above 140 cm/s to define a significant vasospasm. At this velocity the diameter of the MCA reduces to one half of its original diameter, decreasing from 3 to 1.5 mm. Many authors have validated these results and assessing vasospasm after SAH is probably the most common indication for TCD in neurocritical care. Nonetheless, results should be interpreted cautiously because intermediate velocities –mean flow velocity in MCA 120-200 cm/s– may not have a good correlation with angiographic findings. In our unit we monitor every child with SAH with alternate day TCD and daily if there is vasospasm, although there are no normative values for children with SAH. We use the reference values for adults and the Lindegaard ratio to exclude hyperaemia in selected cases.


The cases presented are paradigmatic scenarios where TCD aided clinical management. We selected these cases because they are examples of daily conditions that require an understanding of cerebral hemodynamics to guide therapy. These cases include frequent causes of intracranial hypertension like traumatic brain injury, hydrocephalus and central nervous system infection; we also describe a case of decreased cerebral perfusion pressure in hypovolemic shock to draw attention to the fact that PI can be increased with normal ICP if CPP is compromised due to low arterial blood pressure; finally we also give an example of a common application of TCD in diagnosing impending cerebral circulatory arrest or even complete circulatory arrest where it can aid in the establishment of brain death. This is particularly useful in cases where the clinical criteria of brainstem death cannot be applied on their own, for example if sedative substances are in circulation.


TCD is not a replacement for other established techniques of neuromonitoring, but should be included in the multimodal monitoring as a useful tool to estimate cerebral blood flow. TCD is inexpensive, non-invasive, real-time, harmless, easy to perform with the correct training and can be done in almost all environments without having to move the patient. It can be repeated as needed, but continuous monitoring for more than 30-60 minutes is still challenging. New technologies are currently being developed and tested that will probably allow continuous monitoring to be feasible in the near future.



Conclusions


TCD is a non-invasive, bedside monitoring tool, that can be used in different settings and aid clinical decisions. We believe that more widespread use of this inexpensive technique would allow a better care of children with neurologic insults and that it truly constitutes a ‘stethoscope for brain’.



Francisco Abecasis, MD, PhD

Pediatric Intensivist, Hospital de Santa Maria - Centro Hospitalar Universitário Lisboa Norte, Portugal

Assistant Professor of Pediatrics, Faculdade de Medicina da Universidade de Lisboa, Portugal



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