血管介入手术机器人系统是目前微创血管介入手术中应用最广泛的临床辅助诊疗系统,具有辐射危害少、手术精度高、手术时间短等优点,而对此系统来说介入导丝仿真和血管中心线提取尤为重要,绝大程度上决定了血管介入手术机器人系统之手术导航系统的性能是否优异。然而,由于伪影、噪声、血块和肿瘤遮挡、病人运动、造影剂分布不均等干扰因素而时常导致血管中心线和导丝的图像特征比较模糊,致使提取和仿真效果较差,同时由于介入导丝仿真和血管中心线提取可以归属为同一类特征提取问题,因此本文针对这一特征提取问题开展算法研究,旨在找出当前研究的不足之处、助力更精确的传统诊疗方式。关于导丝仿真,本文主要针对2D冠脉中的术中导丝路径、3D冠脉中心线及3D颈动脉中心线开展算法研究。就目前公开发表的关于导丝仿真的研究文献来看,对于非理想参考导丝的仿真仍然存在很多缺陷,例如在临床环境下的导丝仿真过程中由于复杂瞬变的人体血管环境,很容易导致手术路径（参考导丝）随血管状态等各种复杂因素的影响而变化,一系列的干扰因素增加了实时准确模拟手术路径（参考导丝）的难度。本文针对目前导丝仿真算法的不足,重新定义了数学抽象模型以更符合参考导丝的几何结构特性,并根据该模型提出一些更适应复杂环境下实时精确的导丝仿真算法。关于血管中心线提取,本文主要参与了鹿特丹竞赛机构组织的心脏CTA冠脉树提取竞赛。就目前公开发表的关于心脏CTA冠脉树提取的研究文献来看,对于非理想心脏CTA图像的分割仍然存在很多缺陷,例如在心脏CTA图像采集过程中由于复杂的采集环境,容易造成伪影、冠脉中心线部分被肿瘤、血块和血管钙化遮挡、噪声等等,一系列的干扰因素增加了完整提取心脏CTA冠脉树的难度。本文针对目前3D环境下心脏CTA冠脉树提取算法的不足,重新定义了血管中心线特征的抽象分布以更符合人体造影血管的几何结构特征,并根据该抽象定义提出一种基于双向最小路径传播的心脏CTA冠脉树自动提取算法。此外,为了突显上述所提算法的临床实用性,本文特意设计一个血管介入手术机器人系统之手术导航系统,并根据该手术导航系统更进一步评价上述所提算法的综合性能。本文主要贡献总结如下:针对血管内介入导丝仿真这一主题,执行一个系统的映射研究。该综述根据2007年至2019年公开的研究文献,总结了导丝仿真所面临的挑战,例如准确性、实时性、血管斑块、血管运动等;总结了导丝仿真所使用的技术或方法,例如导丝模型、碰撞检测、碰撞响应、性能优化等;为未来的研究工作确定一些有前景的研究方向,例如静态环境下的导丝仿真方法、导丝尖端建模方法、基于混合策略的方法能提高系统性能、根据临床应用提出一种新的准确性评估方法等。针对目前导丝仿真算法实时性很差、准确性较低、鲁棒性很弱的问题,分别提出如下两种算法:（1）一种基于AOE网络的导丝仿真算法。其中,提出一种基于自适应采样算法中的合并小边策略的迭代寻优算法以获得若干最大曲率点;利用AOE网络的关键路径算法计算最短路径;同时提出一种基于导丝两端的手术路径优化算法以预规划一条手术路径。（2）一种基于梭形三叉树模型的导丝仿真算法。其中,提出一种基于自适应采样策略中的分割大边策略的迭代寻优算法以获得若干最大曲率点;利用梭形三叉树模型的最优路径算法计算最优路径;同时提出一种改进的基于导丝两端的手术路径优化算法以预规划一条手术路径。针对目前心脏CTA冠脉树自动提取算法的不足,提出一种基于双向最小路径传播的心脏CTA冠脉树自动提取算法。其中,提出一种基于“对称凸性”能量的具有回溯操作的双向最小路径传播算法以提取血管中心线;利用Dijkstra算法计算每条冠脉的优化路径;同时提出一种基于Open-Snake模型的冠脉中心线演化算法以优化冠脉中心线。