脑成像信息分析技术是计算机科学和生物医学工程领域非常活跃的研究课题，其目的是在计算机辅助下通过对医学成像信息的分析完成对大脑结构、大脑功能、大脑发育异常和大脑神经通路的研究，在医疗仪器、医学诊疗和科学教育等方面有着广泛的应用前景。本文以脑磁共振成像和近红外光学成像为基础，以大脑情绪功能分析为应用，重点进行了四个方面的研究：(1)基于小波变换的多分辨率阈值分割算法研究孤独障碍儿童脑白质发育异常的问题。(2)以研究脑神经通路的因果关系为目的，提出基于主成分分析和谱因子矩阵分解的偏相关Granger因果分析算法，有效地解释了大脑情绪通路。(3)以解决扩散张量成像中的多纤维各向异性为目的，利用优化张量重构的算法，提出了基于表观扩散系数和球谐变换的多纤维分叉模型，清晰地说明了纤维分叉和FA值异常之间的关系。(4)以研究情绪任务中的脑前额叶血液动力学信号为目的，提出了基于希尔伯特黄变换和非参数Granger方法的谱分析模型。本文主要工作与创新如下： 1.本文在将二维离散小波变换应用于图像分解的基础上，分析了二维小波变换在大脑MR图像分割中的应用，并提出了一种新的基于小波变换的分割算法。该方法首先利用一个滑动窗口取出局部图像，对局部图像进行小波多尺度变换，从较大的尺度系数到较小的尺度系数逐步定位出局部图像的初步灰度阈值；滑动窗口以一定的规则遍历整幅图像，重复上述过程；最后利用最大隶属原则判断象素的灰质、白质和脑脊液的划分，提取白质结构。实验结果表明，该方法有较好的分割结果。 2.研究了多维时间序列的Granger因果关系，提出了基于条件的多维向量Granger因果分析方法。该方法基于Geweke提出的传统Granger算法，结合矩阵分割方法和谱因子矩阵分解算法，有效克服了配对Granger因果分析方法中的错误信息，能够对多维时间序列进行计算，适用于复杂的多节点网络。谱因子矩阵分解使得该算法仅需要进行一次向量自回归模型计算，简化了模型复杂度，提高了计算精确性，扩大了Granger方法的应用领域。数值仿真实验结果表明：本文提出的Granger方法适用于多维向量数值计算，能够有效地区分直接因果关系和间接因果关系。 3.尝试改进传统Granger方法，使其适合于功能磁共振成像研究.本文首先详细介绍了Granger方法的研究现状，然后提出了基于主成分分析降维和谱因子矩阵分解的偏相关Granger方法，并将其应用于情绪通路的研究。详细处理流程为：1)利用Brain Voyager QX对实验数据进行分析，得到相关激活脑区ROIs；2)提取ROIs中所有体素的BOLD信号值，利用主成分分析方法进行降维，得到若干向量形式的时间序列；3)利用基于谱因子矩阵分解的向量偏相关Granger因果分析方法计算情绪通路相关脑区的因果驱动关系。实验结果表明：本文提出的数据驱动改进Granger方法优于最近Goebel提出的Grangercausality mapping方法，该方法在功能磁共振成像情绪通路的研究中获得了较为清晰的脑功能网络结构，并在DTI研究和其他方法研究中得到证实。 4.研究了组块设计功能脑磁共振成像中左侧杏仁核在情绪实验中的习惯性问题，在四组块实验中分别利用Granger方法计算脑局部网络的运行情况，有效地解释了左侧杏仁核在组块设计实验中很难得到组分析统计激活的原因。本文的研究方法有效地将大脑网络根据空间和时间进行了划分，对大脑的功能性连接，有效性连接和结构性连接进行了合理解释。实验表明，此方法能够有效地在情绪实验中对杏仁核进行研究。 5.扩散张量成像技术是一种可以显示组织扩散各向异性的细微特征的生物医学成像技术。临床应用的最多的参数部分各向异性能够很好反应组织微观结构的变化，但无法有效区分结构变化的类型。为了区分扩散张量成像中FA值变化原因，本文提出了一种基于表观扩散系数和球谐变换平滑的多纤维扩散各向异性分析方法，从而利用这种新的测度R4值有效的解释了部分各向异性改变与体素内多纤维分叉现象之间的关系。通过对10例孤独症患者的扩散张量成像分析，结合R4图和FA图研究发现：1)体素内多纤维分叉可能会导致部分各向异性降低；2)体素内多纤维分叉异常不一定会影响白质纤维的部分各向异性；3)部分各向异性降低也可能由其他原因导致。另外，本文还提出一种优化的张量重构方法，得到更加精确的FA图用于纤维分叉分析。以上两种方法为进一步深入研究精神疾病白质发育异常中纤维分叉现象提供了有效的工具。 6.近红外光谱技术已被广泛应用于无损大脑功能检测，然而传统时频分析方法并不适用于非稳态、非线性的血氧信号。本文在视觉刺激实验中，采集被试前额叶的血氧信号，分别比较了傅里叶谱分析法、小波谱分析法和希尔伯特黄变换HHT；并利用非参数偏相关Granger方法对功能近红外信号的独立成分进行了因果关系分析。实验表明基于希尔伯特黄变换的谱分析方法优于其它两种方法，并且使近红外光谱研究可以采用事件相关设计的实验，而Granger方法可以对近红外信号进行有效分析，为形成近红外光谱信号分析的标准方法开辟了新的途径。