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慢性阻塞性肺病（Chronic obstructive pulmonary diseas,COPD）是一种复杂的多因素疾病,常与多种疾病并存。认知功能障碍是COPD患者最常见的肺外表现之一,而且认知功能障碍与其高死亡率和致残率有关。尽管其发病机制尚不清楚。但是,缺氧在触发脑神经元损伤和功能障碍中具有潜在作用。功能MRI技术可以更敏感的定量分析大脑微观结构的变化,评估宏观的脑功能异常。本课题以多模态功能磁共振技术为核心,分为四个部分有机整合COPD脑结构、功能及临床数据,通过不同模态数据之间的信息互补,探寻COPD脑功能特异的影像学生物标记,为揭示COPD神经心理机制提供新的理论依据。第一部分COPD患者轻度认知功能障碍及临床特征研究研究目的:采用MoCA量表研究COPD患者轻度认知功能障碍发病率、特定的认知障碍域,评价COPD患者MoCA评分与肺功能、动脉血气分析的关系。材料与方法:纳入72例稳定期COPD患者和55例性别、年龄、受教育程度、体重指数与之相匹配的健康志愿者（healthy controls,HC）。利用MoCA量表对两组被试进行认知功能评分,分别对其MoCA总分及视空间及执行功能、命名、记忆、注意、语言、抽象、延迟回忆、定向等认知域比较分析,多重回归分析COPD组临床参数与轻度认知障碍的相关性。结果:共60例COPD患者及48例健康志愿者纳入最终分析。COPD组MoCA评分明显低于HC组（P<0.05）。COPD组主要认知障碍域为视空间与执行功能、命名、注意、抽象。COPD组MoCA评分与SaO2、PaO2呈正相关,与PaCO2呈负相关（P<0.05）。结论:稳定期COPD患者存在轻度认知功能障碍,主要表现在视空间与执行功能、命名、注意、抽象等认知域,而且认知功能障碍与动脉血气相关。第二部分基于VBM评价COPD患者脑灰质体积研究目的:基于体素水平形态学的分析方法评价COPD患者灰质体积的变化。材料与方法:纳入COPD患者60例（男性42例,女性18例,中度COPD32例,重度COPD28例）,HC组48例（男性35例,女性13例）。采集两组动脉血气、肺功能和认知功能评分。采集两组被试高分辨率3D-T1WI结构像MR数据,采用VBM软件分析两组脑灰质体积的差异。结果:共40例COPD患者及40例健康志愿者纳入最终分析。与HC组相比,COPD组灰质体积降低的脑区为:双侧颞中回、右侧枕中回、右侧额下回、双侧缘上回、左侧额中回、左侧中央前回、左侧楔前叶;灰质体积增加的脑区为:双侧纹状体。COPD组MoCA评分明显低于HC组,视空间与执行功能、注意、抽象、延迟记忆评分差异有统计学意义（P<0.05）。COPD组患者左侧额中回体积与FVC呈正相关（r=0.348,P=0.028）、与FEV1/FVC呈负相关（r=-0.350,P=0.027）,右侧颞中回体积与视空间与执行功能评分呈负相关（r=-0.368,P=0.020）,右侧额下回体积与SaO2、PaO2呈负相关（r=-0.384,P=0.014;r=-0.350,P=0.027）,右侧额下回体积与语言评分呈负相关（r=-0.317,P=0.046;r=-0.346,P=0.029）,右侧纹状体体积与FEV1%预计值、FVC%预计值呈正相关（r=0.312,P=0.050;r=0.389,P=0.013）,右侧缘上回体积与FEV1呈正相关（r=0.326,P=0.040）,左侧额中回体积与FVC呈正相关（r=0.358,P=0.023）,与FEV1/FVC呈正相关（r=-0.334,P=0.035）,左侧缘上回体积与SaO2、PaO2呈负相关（r=-0.439,P=0.005;r=-0.385、P=0.014）,与延迟记忆评分呈负相关（r=-0.321,P=0.044）,中央前回体积与SaO2、PaO2呈负相关（r=-0.406,P=0.009;r=-0.399、P=0.011）,与PaCO2、FVC呈正相关（r=-0.324,P=0.041;r=-0.318、P=0.045）,与语言评分呈负相关（r=-0.372,P=0.018）。结论:稳定期COPD患者多个脑区灰质体积的异常,而且这些异常的灰质体积与肺功能、动脉血气分析及神经认知评分相关。这些发现可能为COPD的发病机制提供新的见解。第三部分COPD患者脑灌注、自发性脑活动及功能连接rs-fMRI研究一、3D-ASL评价COPD患者脑灌注变化研究目的:分析COPD患者的脑灌注变化,并评估CBF与动脉血气分析、肺功能和神经认知评分之间的关系。材料与方法:对40例COPD患者和40例HC组行全脑3D伪连续动脉自旋标记（3D pc-ASL）MR扫描。采集两组动脉血气、肺功能和认知功能评分数据。使用SPM软件,基于体素水平比较两组全脑CBF值差异。进一步分析COPD患者CBF与肺功能、动脉血气分析和神经认知评分的相关性。结果:COPD组视空间与执行功能、注意、抽象、延迟记忆评分明显低于HC组（P<0.001）。COPD组全脑（41.40±9.71mL/100g/min:46.15±7.91mL/100g/min）、灰质（43.91±10.67mL/100g/min:49.34±9.13mL/100g/min）和白质（38.34±8.70 mL/100g/min:42.51±6.29mL/100g/min）平均CBF均低于HC组（P<0.05）;COPD组较HC组右侧额中回、右侧顶下小叶及右侧纹状体（P<0.05）等3个脑区CBF减低。而且COPD组右侧纹状体、右侧顶下小叶CBF与PaCO2呈正相关（r=0.413,P=0.008;r=0.397,P=0.011）。结论:COPD脑灌注异常与其神经认知障碍存在相关性,PaCO2可能是影响右侧额中回、右侧顶下小叶及右侧纹状体CBF的减低的因素。3D pc-ASL作为一种无创的技术为COPD神经病理学研究提供有价值的脑灌注信息。二、COPD患者自发性脑活动改变:rs-fMRI研究研究目的:评估COPD患者静息态自发性脑活动,并进一步探讨自发性脑活动与临床数据的相关性。材料与方法:COPD组40例和40例HC组的临床及fMRI数据采用第二及第三部分。运用DPARSF软件计算低频振荡幅度,采用两样本T检验方法,得到两组全脑低频振荡幅度差异脑图,并使用Pearson相关分析方法分析差异脑区低频振荡幅度与肺功能、动脉血气分析、MoCA评分的相关性。结果:与HC组相比,COPD组右侧额内侧回、左侧额上回、右侧枕中回、右侧颞中回、左侧额中回、左侧枕中回、左侧顶下小叶低频振荡幅度增高。右侧额内侧回低频振荡幅度值与PaO2、FEV1/FVC呈负相关（r=-0.323,P=0.042;r=-0.417,P=0.007）、与PaCO2呈正相关（r=0.472,P=0.002）、与MoCA评分呈负相关（r=-0.323,P=0.042）（注意:r=-0.342,P=0.031;语言:r=-0.343,P=0.030;延迟记忆:r=-0.327,P=0.039;定向:r=-0.434,P=0.005）。左侧额上回低频振荡幅度值与PaO2呈负相关（r=-0.344,P=0.030）、与PaCO2呈正相关（r=0.478,P=0.002）。右侧枕中回低频振荡幅度值与FEV1/FVC呈负相关（r=-0.440,P=0.004）、定向评分呈负相关（r=-0.357,P=0.024）。右侧颞中回低频振荡幅度值与FEV1/FVC、注意评分、定向评分呈负相关（r=-0.335,P=0.035;r=-0.312,P=0.050;r=-0.402,P=0.010）。左侧额中回低频振荡幅度值与FEV1%预计值、FEV1/FVC、注意评分呈负相关（r=-0.361,P=0.022;r=-0.344,P=0.030;r=-0.390,P=0.013;r=-0.323,P=0.042）、与PaCO2呈正相关（r=0.391,P=0.013）。左侧枕中回低频震荡幅度值与PaO2、FEV1/FVC呈负相关（r=-0.323,P=0.042;r=-0.520,P=0.001）,与MoCA评分呈负相关（r=-0.386,P=0.014）（注意:r=-0.379,P=0.016;命名:r=-0.355,P=0.024;延迟记忆:r=-0.337,P=0.034;定向:r=-0.449,P=0.004）。左侧顶下小叶低频振荡幅度值与FEV1/FVC、定向评分呈负相关（r=-0.326,P=0.040;r=-0.328,P=0.039）。结论:COPD患者多个脑区的静息态自发脑活动异常,可能反映了其认知障碍潜在的病理生理学变化,为研究COPD脑功能提供有价值的信息。三、基于种子点研究COPD患者静息态脑功能连接改变研究目的:基于种子点的方法研究COPD患者全脑静息态功能连接改变,评价功能连接与临床数据的关系。材料与方法:采集40例COPD患者和40例HC组血氧水平依赖（Blood oxygen level-dependent,BOLD）数据,选取第二部分COPD组与HC组灰质体积差异脑区作为感兴趣区（region of interest,ROI）种子点。采用REST软件分析两组种子点间的功能连接（Function connectivity,FC）差异;运用Pearson相关分析FC值与肺功能、动脉血气分析和神经认知评分的关系。结果:COPD组左侧颞中回与左侧额中回、右侧枕中回与左侧纹状体、右侧纹状体与左侧纹状体功能连接低于HC组（P均<0.05）。左侧颞中回与左侧额中回功能连接与定向评分呈正相关（r=0.353,P=0.026）,右侧纹状体与左侧纹状体功能连接与命名、抽象评分呈正相关（r=0.326,P=0.040;r=0.361,P=0.022）。结论:基于种子点显示COPD组左侧颞中回、左侧额中回、右侧枕中回、双侧纹状体功能连接异常,这些结果有助于更好地理解COPD患者脑区间的功能连接异常对认知行为的影响。第四部分fMRI技术多参数耦合分析COPD结构和功能研究目的:耦合多种fMRI参数评价COPD患者脑结构和功能的变化与神经认知的关系。材料与方法:40例COPD患者和40例HC组临床资料及fMRI数据同第二和三部分。将COPD组与HC组间灰质体积差异脑区作为ROI,在REST软件中存为mask,分别提取两组ALFF、CBF、VBM平均值,采用Pearson相关分析两组结构和功能数据间的耦合性。结果:HC组右侧枕中回、右侧颞中回、右侧缘上回ALFF-CBF耦合呈正相关（r=0.675,P=0.004;r=0.520,P=0.039;r=0.562,P=0.023）,右侧纹状体、左侧缘上回ALFF-CBF、ALFF-VBM、CBF-VBM耦合呈正相关（r=0.531,P=0.034;r=0.726,P=0.001;r=0.501,P=0.048;r=0.543,P=0.030;r=0.499,P=0.049;r=0.795,P<0.001）,左侧纹状体ALFF-CBF、ALFF-VBM耦合呈正相关（r=0.664,P=0.005;r=0.663,P=0.005）,左侧中央前回ALFF-CBF、ALFF-VBM、CBF-VBM耦合呈正相关（r=0.422,P=0.007;r=0.378,P=0.016;r=0.420,P=0.007）,左侧额中回CBF-VBM耦合呈正相关（r=0.729,P=0.001）。而COPD组11个差异脑区ALFF-CBF、ALFF-VBM、CBF-VBM耦合无相关性（P值均>0.05）。结论:fMRI多参数耦合技术能多角度融合了COPD患者脑影像特征与临床信息,通过信息互补,加深对COPD神经生理机制的理解和认识。