Carotid Sonography

Mindy M. Horrow, MD, FACR

Director of Body Imaging

Albert Einstein Medical Center

Philadelphia, PA

All photos retain the copyrights of their original owners

© Mindy Horrow, MD

Doppler Effect

Frequency shift is proportional to velocity at which structuremoves with respect to transducer

Doppler Relationship

Frequency shifts caused bymoving blood are in range of human hearing

Spectrum Analysis

By Fast Fourier transformation

Frequencies returned to transducer aredecoded into component values

Creates display or distribution of velocities forgiven time interval

Intensity of returning signal proportional tonumber of rbc with same velocity

Intensity of waveform is encoded to beproportional to number of returning echoes

Duplex Sonography

Uses pulses of sound so that timedelay between transmission andreception of signal allowscalculation of distance sound hastraveled

Fourier transformation on returningechoes gives Doppler spectrum forspecific location in imaging field

Knowledge of angle between flow invessel lumen and ultrasound beampermits calculation of velocity ofmoving blood

Limitations

Next pulse can only be transmitted afterreturning echoes from previous pulse havebeen received

Pulse repetition rate sets upper limit tofrequency content of signals that areaccurately displayed after Fouriertransformation = NYQUIST LIMIT

Results in higher frequency shifts displayedat a lower frequency = ALIASING

If pulse repetition frequency increasesaliasing is less likely

Lowering frequency of transducerlowers frequency of returning echoesand increases Nyquist limit

Limitations

Color Doppler

Frequency shift information in returningpulses is decoded at multiple points onthe gray image.

Color Doppler images are created bysuperimposing this frequency shiftinformation on spatial information of grayscale image.

Color Doppler display needs several rateframes and PRF will be lower.  Thusaliasing occurs at lower frequencies withcolor than pulsed Doppler

Considerations

Gray scale imaging best with beamperpendicular to interface

Doppler best between 30 and 60 degrees

–< 60 degrees because magnitude of error increasessignificantly at more obtuse angles.

–>30 degrees because shallow angle decreasesstrength of returning echoes

Equipment allows separate steering ofDoppler and gray scale images

Patterns of Flow:Normal Arteries

Low resistance in CCA/ICA systems

Laminar pattern with highestvelocities in center of lumen,decreasing to stagnant flow atperiphery

Perturbed at bifurcations oftortuous segments, with zone ofstagnation and even reversal

Patterns of Flow:Stenotic Arteries

Narrowed lumen causes more heterogeneousvelocities, resulting in spectral broadening whichfills in Doppler spectrum.

As severity of stenosis increases, so does peaksystolic velocity.  At point of stenosis all rbcstend to travel with same velocity.

Distal to stenosis flow pattern is perturbed withpost stenotic jet and flow reversals.

Degree of stenosis based upon peak systolic andend diastolic velocities and ratios.

Doppler Spectrum AnalysisDiagnostic Doppler Criteria forCarotid Artery Disease

DiameterCategoryPeakPeakSystolicStenosisSystolicDiastolicVelocityVelocityVelocityRatio(cm/sec)(cm/sec)(VICA/VCCA)_______________________________________________________________________________________________________________________

0%Normal< 110< 40< 1.8

1-39%Mild< 110< 40< 1.8

40-59%Moderate< 200< 60< 1.8

60-79%Severe> 200> 60> 1.8

80-99%Critical> 250> 100> 3.7

Temporal Tap

1.Digital tapping of superficial temporal arteryto distinguish ECA from ICA

2.  Tap transmitted only to ECA in 40-50%

3.When ECA and ICA both had tap, ECA tapstronger in 74%

4.Likelihood of ICA with tap decreases withincreasing severity of ICA stenosis

Kliewer et al: Radiology 201:481, 1996

Budorick et al: J Ultrasound Med 15:459, 1996

Critical Right ICA Stenosis

1999 moderate LICA stenosis        2001 critical LICA stenosis

2001 mid LICA velocities                 2001 distal LICA velocities

Critical LICA stenosis: angio and color Doppler

Vessel Identification

1.  High vs. Low Resistance

2.  Temporal Tap

3.  Location

4.  Branch Vessels

Vessel Misidentification

Tortuosity

Collateral pathways

Tortuous right brachiocephalicbifurcation mistaken for commoncarotid bifurcation

ICA and ECA located higher in neck

Common Carotid ArteryOcclusion

One vessel above bifurcation

Two vessels above bifurcation

Lt ECA supplied by Rt ECA viacollaterals, so contralateral temporaltap is transmitted

No flow inCCA

Two vessels above bifurcation, one antegrade, one retrograde

Right ECA supplies left ECA retrograde to

left ICA which is antegrade

Occlusion of both CCAs with flow in all 4 distal vessels

Occluded CCAs with collaterals toretrograde ECAs and then antegrade ICAs

UnusualVelocities

High Velocities

Youth

Tachycardia

Arrhythmias

Balloon Pump

High CCA and ICA velocities with nostenosis in color Doppler in a young

Patient with vasculitis

Patient on balloon pump, pre-op for CABG surgery

? RICA stenosis

Re-imaging with balloon pump off:

Normal velocities

Patient on balloon pump, pre-op for CABG surgery

? LICA stenosis

Re-imaging with pump off:

Significant LICA stenosis

Which peak to

    measure?

Wait forsinus

rhythm

Low Velocities

Diffuse

–Arrhythmias

–Cardiomyopathy

–Hypotension

–Increasedintracranial pressure

Low ICA velocities

–Near occlusion

–Distal occlusion

–Dissection

Two patients with low velocities diffusely

Tachycardia

Hypotension

Normal Carotid Ultrasound 1999

2002, change in mental status

Diffusely lower velocities and higher resistance waveforms

Subdural and intraparenchymal hemorrhages

Patient with critical

LICA stenosis

No flow when

hypotensive

Is there a significant

Stenosis?

Near-occlusive stenosis with low velocities

Carotid ArteryOcclusion

Positive predictive value of duplexsonography compared witharteriography

–Duplex 92.5%

–Duplex & color 96.7%

Kirsch et al: J Vasc Surg 19:642, 1994

Near or CompleteICA Occlusion

Effects on Other Vessels

–Externalization of CCA

–Internalization of ECA

Lee et al: AJNR 17:1267, 1996

Long segment, near-occlusive stenosis

Compare RCCA toLCCA

ICA dissection with

thrombosed false lumen

Normal color Doppler

With decreasing

Velocities in RICA

1                        23

Distal ICA occlusion

Diffusely low velocities and high resistance waveforms

Bilateral intracranial ICA occlusions

Moya-moya Syndrome

Low velocity, high

resistance LCCA=

externalized LCCA

No flow in LICA

Occluded LICA

Normal, low resistance

         flow in LCCA

No flow in LICA

Low resistance LECA=

Internalized LECA

Occluded LICA

Intra-cranial cross filling

UnusualWaveforms

Low Diastole in CCA

A normal variant

Aortic regurgitation

Patient with aortic regurgitation

Parvus-TardusWaveform

Tardus - pulse beat slow to rise and fall

Parvus - small pulse

Occurs

–Distal to a significant stenosis

–When vessels fill through collaterals

Kotval: J Ultrasound Med 8:435, 1989

Patient had normal right sided waveforms

High grade stenosis at LCCA origin

All waveforms are parvus tardus

Aortic Stenosis CausingParvus-Tardus Effect

Critical:100%

Severe:20%

Moderate/mild: 17%

Boyle et al: AJR 166:197, 1996

Stroke

500,000 new cases per year

150,000 deaths per year

Majority due to atherosclerosis:stenosis and/or thromboemboli

     Timsit et al: Stroke 23:486, 1992

North American SymptomaticEndarterectomy Trial CollaboratorsNEJM 325:445, 1991

“Carotid endarterectomy is highlybeneficial to patients with recenthemispheric and retinal transientischemic attacks or non-disablingstrokes and ipsilateral high-gradestenosis (70 to 99 percent) of theinternal carotid artery.”

Executive Committee for theAsymptomaticCarotid Atherosclerosis StudyJAMA 273:1421, 1995

“Patients with asymptomatic carotid arterystenosis of 60% or greater reduction in diameterand whose general health makes them goodcandidates for elective surgery will have a reduced5-year risk of ipsilateral stroke if carotidendarterectomy performed with less than 3%perioperative morbidity and mortality is added toaggressive management of modifiable riskfactors.”

Accuracy of Color/DuplexCarotid Sonography

near 90%Polak et al:Radiology 173:793, 1989Neale et al:J Vasc Surg 20:642, 1994

65-71%NASCET StudyEleiasziw et al:Stroke 26:1747, 1995

Crittenden: Radiology 205:577, 1997 (Letter to the Editor)

Objective

To improve the accuracy ofcarotid duplex/color sonographycompared to angiography bydetermining avoidable andunavoidable errors.

Materials & Methods

Retrospective four year review

Cases with abnormal carotidsonograms and subsequentangiograms

Discrepancies:

–Incorrect degree of stenosis

–Incorrect location of stenosis

Materials & Methods

Angiographic Criteria for Stenosis:(considered as gold standard)

         diameter at site of greatest narrowing   1 -    ------------------------------------------------------   x 100%            diameter at site beyond visible plaque

NASCET criteria in: Stroke 22:711-720, 1991

Results

66 complete, available sets of data

132 sides (right and left)

Complete agreement in 115 (87%)

Discrepancy in 17 (13%)

13 overcalls by sonography

3 undercalls by sonography

1 error in location

Results:Avoidable Errors

Avoidable errors in 7/17:

–Color Doppler images gave more realisticassessment of degree of stenosis in all 7

–ICA/CCA ratio would have allowedappropriate categorization of lesion in 3cases

–Unable to obtain diastolic velocities in 1case secondary to balloon pump

LICA

RICA

LICA mild stenosis                RICA critical stenosis

Interpreted as severe LICA stenosis

based upon velocities

Peak systole 136 cm/sec        Peak systole 198 cm/sec

Only moderatestenosis

by angio and color

Results:Unavoidable Errors

Unavoidable errors in 10/17:

–7 cases with contralateral, significantlesions (5 occlusions) resulted insonographic overcall

–3 cases - angiography showed longulcerated plaques and tortuousvessels

Overestimation of Stenosiswith ContralateralSevere Disease or OcclusionBeckett et al: AJR  155:1091, 1990AbuRahma et al: J Vasc Surg  22:751, 1995Busuttil et al: Am J Surg  172:144, 1996

Occluded RICA and critical stenosis LICA

Critical LECA stenosis

Systole 450 cm/sec

Diastole 116 cm/sec

Angiography: severe LICA and critical

LECA stenoses

ICA

ECA

Patient underwent endarterectomy

for symptomatic severe LICA stenosis

Contralateral peak systolicvelocities

Pre LCEA:  221 cm/sec   Post LCEA:  140 cm/sec

Moderate LICA stenosis?

Severe LICA stenosis with

large ulcer in tortuous vessel

Conclusion

“We Can Do Better”

The key to improvement

is the color image

Conclusion

Sonography incorrect insmall percentage

May be able to predict thissubset and obtain MRA orconventional angiography

Familiarity with types oferrors should help todecrease their frequency

Doppler after densely

shadowing plaque

? Degree of stenosis

Critical RICA stenosis

Bibliography

Horrow MM, Stassi J, Shurman A, BrodyJD, Kirby CL, Rosenberg HK: Thelimitations of carotid sonography:Interpretive and technology-related errors.AJR 174:189-194, January 2000.

Stassi J, Horrow MM, Rosenberg HK, KirbyCL: Carotid ultrasonography:  Interpretiveissues and potential pitfalls.Ultrasound Quarterly 14: 48-64, 1998.

The End