目前,影响心脏供血的冠状动脉疾病已经成为全球范围内最致命的疾病之一。借助实时性好和分辨率高的优势,传统X线冠脉造影成像已经成为冠脉疾病诊疗中最常用的成像手段,是诊断的金标准。但是,为了克服其透射成像造成血管重叠交叉的弊端,在诊疗前,医生通常借助冠脉计算机断层造影成像来观察血管的三维空间结构。然而,由于成像原理不同、操作方法不同以及设备移动不便等多方面原因,这两种图像均只能单独使用。为了更好的提高人工诊断的客观性和准确性,基于人工智能和图像处理的计算机辅助诊断技术应运而生。其中的分割技术能为客观量化的血管狭窄度诊断提供基础,配准技术能为诊疗中实时二维传统X线冠脉造影图像与静态三维冠脉计算机断层造影图像的融合提供可能,因此分割和配准成为计算机辅助诊断中最为重要的技术。但是,考虑到分割过程中存在的强重叠伪影环境、血管重叠交叉处的各向同性特性、造影剂强度分布上的不均匀性、较低的图像信噪比,以及配准过程中两者不同时刻下位置和形态存在差异等诸多问题,冠脉血管的分割和配准都具有极大的难度。针对以上问题,本文在2D血管分割和2D/3D双模态配准方法上展开研究。首先,为了解决完整血管网提取中强伪影及节点处各向同性的干扰,提出基于分支连接性度量和主曲线的2D冠脉中心线提取方法。然后考虑造影剂强度分布存在不均的情况,提出基于多域边缘测度重映射和分位数回归的2D冠脉分割方法。接着,为了利用3D血管中心线特征用于后续配准,并克服其中管状结构检测信号伪响应的问题,提出基于密度聚类和Frangi分布对称性测度的3D冠脉中心线提取方法。最后为解决非刚性配准下同时保持节点间拓扑位置一致性的问题,提出基于节点序列拓扑一致性保持的2D/3D血管非刚性配准方法。本文工作主要包括以下四个部分:一、提出一种基于分支连接性度量和主曲线的2D冠脉血管中心线提取方法。在二维图像中,空间压缩产生的复杂重叠伪影造成了一个强的伪影环境,并且伴随血管间交叉重叠处的各向同性特性,这都使得冠脉血管的提取极为困难。本文通过对血管分支断开再连接匹配的方法对冠脉血管中心线进行提取。首先,在2D Frang血管化测度的基础上用高斯卷积对图像的血管强度分布进行强度补偿,使其能够提升血管和伪影间的强度差异。接着,提出一个基于分散血管段端点间连接性度量的血管分支连接匹配算法,让具有同一血管走向的各段血管匹配在一起。同时通过采用主曲线方法对各段血管进行中心线提取处理,达到克服断裂、空洞以及噪声影响的目的,使结果更加准确和健壮。二、提出一种基于多域边缘测度重映射和分位数回归的2D冠脉血管分割方法。冠脉血管分割在存在非常复杂的重叠纹理的同时,造影剂分布的不均也会对边缘强度模型的学习产生干扰,致使现有基于同方差特性的边缘强度回归方法不能获取健壮结果。本文首先通过对Sobel强度域和相位一致性的频率域的边缘强度进行加权重映射,以获取更加可信的边缘强度。然后通过中心线法线构建独立的血管横断面感兴趣区域,并在各独立区域中提取出粗边缘点。最后在粗边缘点的基础上通过基于邻近点均值的距离纠偏和基于分位数的灰度强度纠偏获取准确的血管边缘。三、提出一种基于密度聚类和Frangi分布对称性测度的3D冠脉血管中心线提取方法。在三维冠脉CT成像图像中,整个扫描区域(心肺甚至肝脏等)的血管都具有管状结构增强效应。并且,心腔内壁的沟壑状结构也会使现有管状结构检测算法产生误响应,生成误响应伪影。为了除去以上伪影干扰,本文首先提出一种基于密度的聚类方法对心脏区域进行分离,筛除心脏区域以外的血管。然后,本文定义了一种Frangi强度对称差异度度量方法对误响应伪影进行判别。最后利用三维下的分支连接匹配和主曲线算法对血管中心线进行健壮提取。四、提出一种基于树节点序列拓扑一致性保持的2D/3D冠脉血管非刚性配准方法。在心跳和呼吸作用下,实时2D和静态3D下的血管间会存在很大的形态及位置差异,此时配准是一个大尺度的非刚性问题。并且,在血管环境下,节点间配准除了考虑点间距离最近的因素外,还需考虑点间拓扑关系的一致性。本文在已经提取的二维和三维血管中心线基础上,利用血管曲线特征对两种维度的血管进行粗糙和精细两级配准操作。在粗配准中,首先通过去除图结构中的环,把保持图的拓扑结构一致降低为保持树的拓扑结构一致。然后通过只考虑节点间序列拓扑关系来消除现有算法所需要双向的一对一对应约束,在血管分支点间进行多对多对应配准。在精细配准中,分支点对应后的配对血管段采用具有伸缩特性及拓扑次序保持的动态时间归整技术进行像素间配准。本文以冠状动脉疾病诊疗中2D和3D下的两个模态(传统造影图像和计算机断层扫描图像)为研究对象,对冠脉血管中心线的准确提取方法及其指导下的2D分割和2D/3D配准方法进行了研究,以期为后续的自动诊断处理提供良好的技术基础,以及为计算机技术在冠脉疾病的预防救治方面发挥更好更大的作用而做出贡献。