第一章 绪论
1.1 科学计算可视化
虽然人类在语言、文字上经历了重大的进步，但是图像仍然在人们的表达中起着重要的作用。早在公元前四世纪的古希腊，亚里士多德 (Aristotle, 384-322 B.C.) 就采用画图的方法来教授几何。欧几里得 (Euclid of Alexandria, ca. 325-265 B.C.) 在其不朽的名著《几何原本》中，更是利用草图来对抽象的几何原理作了直观的描述（图1.2）。文艺复兴时期，达·芬奇 (Leonardo da vinci, 1452-1519) 利用他在艺术上的天赋，对众多科学问题（包括天文、物理、解剖、生理等）用图的方式作了描述，以帮助理解。现代人体解剖学的先驱维萨里 (Andreas Vesalius, 1514-1564) 提出可视的观察是学习解剖学的唯一途径。他在他的巨著《人体构造》(De Humani CorporisFabrica) 中，用一幅幅精确而漂亮的图片，详细生动地阐述了那些难以用文字来描述的解剖学理论（图 1.3）。随着信息时代的到来，新技术使得人们可以得到以前所无法想像的数据量。如卫星遥感、医学成像、地球物理监测等都能采集到大容量的科学数据。由于数据量的庞大，人们很难直接从数值上对信息进行理解。
1.2 医学成像和医学可视化
在医学成像技术还未发展起来的时代，要观察人体内部的信息，对人体进行了解，只有通过解剖的方法。人类最早的人体解剖也许能追溯到公元前 32 世纪的古埃及，但当时的目的只是制作木乃伊。早在公元前，古希腊以及我国战国时代的《扁鹊难经》和《内经》中，已经有了应用于医学的人体解剖的记载。文艺复兴以后，西方迎来了解剖学的大发展，从而大推动了人们对自身的了解和现代医学的发展。荷兰著名画家伦勃朗的名画“蒂尔普医生的解剖课”正是 17 世纪西方解剖学大发展的写照（图 1.4）。随着 1895 年伦琴 (Wilhelm ConradRntgen, 1845-1923) 发现了 X 射线，人类开始能够以无损的方式探索人体内部的奥秘。从人类第一张 X 光照片开始（图 1.5），医学像技术在这一百多年中得到了飞速的发展。CT、MRI 等断层成像方式的发明，使得我们不但能够获得有信息重叠的二维影像，还能直接得到人体三维的体数据。
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第二章 人体空腔结构数字外翻方法
2.1 数字外翻方法概述
如前所述，在对人体空腔结构的可视化手段中，无论是虚拟内窥的方法还是虚拟展平、虚拟平面切开的方法都存在着一定的缺点。为了克服这些不足，我们提出了一种全新的空腔结构内表面的可视化概念――数字外翻。在实际生活中，如果我们要察看一个袋子的内表面，一个很简单的方法就是将内表面翻到外面来进行观察（见图 2.1）。虽然通常不可能在活体内真的将空腔性脏器的内表面翻出来进行观察，但是我们仍然可以利用医学成像的数据，通过计算机来实现数字外翻。所谓数字外翻，就是通过计算机将内部转换到外面。也就是说，经过数字外翻，空腔脏器的内表面就成为了外表面，内表面上向内的法线成为向外的法线。数字外翻相对于普通的虚拟内窥技术最主要的好处是视野得到扩大，能够在一个视野内对更大一部分的内表面进行直接可视化，并且对病灶的定位更为直观，无须再进行单调费时的漫游操作。相对于虚拟展平技术，数字外翻能够更好地保持空腔结构的几何中心、中心路径、形状及其跟周围组织的关联等信息。
2.2 外翻基准面的获取
人体空腔结构数字外翻的第一步，就是要找到一个外翻基准面。这个基准面在外翻过程中犹如一个弯曲的镜子，覆盖在空腔的外部。内部空腔的外缘再针对这一基准面做一次类似镜像映射的变换，就能得到外翻的效果。对人体大多数空腔性脏器来说，外表面的浆膜面是一个直接而理想的外翻基准面。然而，脏器外表面通常与周围组织在 CT 等医学图像中的灰度对比较小，且相互粘连，进行准确的图像分割有比较大的难度。由于在临床上，主要关心的是空腔性脏器内部黏膜面上的肿瘤、息肉、溃疡等病灶，因此外翻的基准面无需是精确的脏器外表面。在外表面无法获取的情况下，外翻基准面可以直接采用所分割出的内部空腔的结构，再通过三维数学形态学的运算得到。在这里，首先介绍一下数字形态学中所定义的两个基本变换：腐蚀和膨胀。
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第三章 基于真实人体结肠 CT 数据的数字外翻实验…………25
3.1 结肠 CT 数据…………25
3.2 数字外翻实验的具体步骤…………25
3.3 讨论…………28
第四章 改进人体空腔结构可视化效果的其它方法的初步探索…………31
4.1 彩色映射…………31
4.2 虚拟充气膨胀…………33
4.3 虚拟切开可视化…………35
第四章 改进人体空腔结构可视化效果的其它方法的初步探索
4.1 彩色映射
无论是通过 CT、超声还是 MR 等非侵入性医学成像方式，所获得的数据都仅仅是灰度数据，并没有颜色信息。而在对人体空腔结构内的黏膜面进行观察诊断时，彩色信息仍然相当重要。由于人眼分辨灰度级别的能力有限，而分辨不同彩色的能力更强，医生一般在诊断时对于颜色的异常更为敏感。更重要的是，内窥镜下很多管道内部的颜色在病理诊断中起着非常重要的作用。某一些病灶，如炎症、轻度溃疡等，在解剖形态上的特征其实并不明显，而通过彩色的变化却能很清楚地分辨出来。因此，虚拟内窥镜或其它无颜色信息人体空腔结构的可视化方法同真实的光学内窥镜相比，不能显示出脏器内部表面真实的颜色是一个比较的缺点。因此，通过计算机，为从医学成像数据中重建而来、原本并没有颜色信息的空腔结构内壁赋予伪彩色甚至接近真实的彩色，从而能够分辨出更多结构和病灶，是本节需要探索的问题。
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结论
本文针对当前医学成像及可视化领域中对人体空腔内部进行可视化观察诊断技术的不足，研究了人体空腔结构数字外翻技术及其它一些提高空腔结构可视化效果的方法，对人体空腔结构的诊断、治疗计划研究及医学教学具有重要意义。论文的主要贡献和创新点有：
1. 提出了人体空腔结构数字外翻的概念，为空腔结构的计算机可视化重建提供了一个崭新的思路和方法。
2. 提出了两种基于电场模型的具体数字外翻方法――基于中心路径部分电场的曲截面外翻法和基于基准面部分电场的电场线方向外翻法，能实现管道状及一般形状的空腔结构的数字外翻。
3. 利用真实人体结肠 CT 数据，采用两种不同的电场模型分别进行了数字外翻实验。实验结果证实了数字外翻方法的有效性。
4. 针对医学成像数据没有颜色信息的缺点，提出了两种可行的方法：“利用多能量 X 射线源 CT 成像实现彩色映射”和“基于血流成像的彩色映射方法”。
5. 提出了能在一定程度上改进空腔可视化效果的“虚拟充气膨胀”的概念，并给出了具体的实现方法。
6. 改进了现有的结肠切开方法，提出了一种管道空腔整体三维切开的方法，能得到更好的可视化效果。
7. 提出了一种基于分割膨胀的快速体绘制方法，既能够清除结肠内的积水，又能够加快体绘制速度。
参考文献（略）