脑是人类最复杂且功能最为完善的器官,它既能产生思维,也能控制意识。随着结构磁共振成像(structural Magnetic Resonance Imaging,sMRI)技术的普及化,借助sMRI对脑疾病进行病理意义上的形态学分析和分类成为了近些年的研究热点。sMRI作为临床检查的常规项目,具有采集成本低、复测可信度好等优势,因此在病理学分析和计算机辅助诊断领域具有极高的应用前景。然而,现有主流形态学分析指标,如基于体积、表面积等指标,往往对皮层下结构的局部形态学变化不够敏感,且缺乏对早期细微形态学变化或发展模式的捕获能力。因此,如何更好地捕捉皮层下结构细微的形态学变化以及提取有价值特征进行病理学诊断与分类,成为了一个亟待解决的重要问题。通过对新颖的高灵敏度表面形态学特征的引入和配套的新颖分类管道设计,本文主要有以下四点贡献:第一,通过引入若干新颖的形态测量学指标,对重度抑郁症(Major depressive disorder,MDD)群体极为精细的两个皮层下结构——海马体和杏仁核进行了子区形变分析。该研究主要有4点发现:○1证明了MDD群体海马体和杏仁核的显著性形态学变化主要发生在相应结构的特定子区而非全局;○2对于接受抗抑郁药物治疗的MDD群体,其海马体和杏仁核的萎缩和膨胀机制是并存的而不是单一的;○3海马体和杏仁核部分子区域的萎缩程度和抑郁症严重程度呈现线性正相关关系;○4接受抗抑郁药物治疗的MDD群体的海马体和杏仁核具有更强的形态学弹性并在形态学上有逐渐逼近正常被试者的趋势(佐证了抗抑郁药物在形态学上的功效)。第二,将以上的形态测量学指标用于探索男性自闭症谱系障碍(Autism spectrum disorder,ASD)患者的伏隔核、杏仁核、尾状核、海马体、苍白球和壳核六种皮层下结构的形态学变化。该研究主要有2点发现:○1单纯从体积的角度去评估男性ASD患者皮层下结构的形态学变化容易得到异质性的结论;○2药物治疗引起的形态学弹性效应并不是广泛地存在于男性ASD患者的所有皮层下结构中,而是只对部分结构的子区域较为有效。第三,我们将Laplace-Beltrami算子所衍生出的光谱匹配思想应用于男性ASD患者成对皮层下结构的形态学研究中去,并从脑偏侧性这一相对新颖的角度展开了研究。我们基于Laplace特征值的分析揭示了男性ASD患者相对于正常发育(TD)男性被试者而言,在特定而非所有的皮层下结构存在显著的形态学偏侧性变化。这一基于公共数据库和大样本集的发现,为男性自闭症患者脑的偏侧性与对称性发展模式提供了新的研究突破点。同时,该研究结果表明女性ASD患者皮层下结构的偏侧性模式和男性ASD群体存在差异性(女性ASD患者皮层下结构偏侧性模式与女性TD被试者更为相近),因此从形态测量学的角度给ASD男女性被试者的病理学差异提供了解释。第四,我们设计了一套新颖的基于皮层下结构高维形态测量学特征的普适化分类管道。该分类管道包含了基于表面的特征的生成(保证特征灵敏度)、基于稀疏编码和字典学习的降维方案(维持了特征的几何学空间模式)、Maxpooling(进一步降维)和基于自适应优化器的集成分类器选择(在所有集成分类器中优中选优)等流程,解决了高维形态学描述符(HDSD)难以被用作分类特征的问题。同时,该分类管道很好地保留了基于表面高维形态学特征的空间分布模式,在仅使用一对皮层下结构特征的情境下就达到了优于目前主流形态学分类方法的结果。最后,由于该分类管道在今后的研究中具有极强的可扩展性,因此能在其他脑疾病的诊断与分类中产生普适化价值。