Возможности трехмерной реконструкции поверхности барабанной перепонки

Рис. 1. Процесс получения фотографий в амбулаторных условиях

Рис. 2. Одна из исходных эндофотографий барабанной перепонки

Рис. 3. Трехмерная реконструкция барабанной перепонки: процесс измерения расстояния между латеральным отростком молоточка и наиболее отдаленной частью барабанной борозды

Рис. 4. Процесс измерения глубины ретракции барабанной перепонки от латерального отростка молоточка до дна ретракционного кармана

Рис. 5. Определение площади ретракционного кармана, границы ретракции выставляются оператором

Рис. 6. Одна из исходных эндофотографий барабанной перепонки

Рис. 7. Трехмерное моделирование при реконструкции барабанной перепонки: методика обеспечивает визуализацию зон ретракционных карманов, недоступных для стандартной отомикроскопии и эндоскопического исследования

Рис. 8. Состояние после первого этапа двухэтапной тимпанопластики (санирующее вмешательство): сохранение купольного положения барабанной перепонки

Рис. 9. Трехмерное моделирование при реконструкции серии отоскопических изображений (см. рис. 8), демонстрирующее вид на уровне барабанной борозды. Неотимпанальная мембрана формирует куполообразную структуру с вершиной в области головки стремечка

Введение

Морфологическое состояние барабанной перепонки является важным критерием в диагностике заболеваний среднего уха. Оценка локализации, размера, типа и степени дегенеративных изменений в ее анатомических структурах позволяет сделать выводы о прогнозе заболевания и возможности его эффективного лечения.

Однако, несмотря на свою значимость, визуальный анализ этих изменений остается субъективным методом диагностики, точность которого зависит как от качества оборудования, так и от опыта оториноларинголога.

Для точной постановки диагноза и назначения адекватного лечения заболеваний среднего уха необходимо глубокое понимание морфологии барабанной перепонки, особенно в случаях ее хронических воспалительных изменений, ретракций, перфораций и других патологических процессов [1–4].

При ретракции, когда происходит истончение фибрилл и потеря эластичности собственно пластинки барабанной перепонки, в результате чего она становится более рыхлой, а ее слизистая оболочка контактирует со сквамозным эпителием, возникают ретракционные карманы [5, 6].

Эти карманы часто развиваются на фоне хронических воспалительных процессов, которые возникают из-за длительной дисфункции слуховой трубы [7, 8]. Немаловажную роль в этом играют факторы, приводящие к окклюзии ее глоточного устья, что может быть связано с носоглоточными патологиями [9].

Если говорить о внутритимпанальных причинах возникновения ретракций, то основной из них считается нарушение вентиляции в области тимпанальной диафрагмы. Это приводит к тому, что барабанная полость разделяется на изолированные сегменты, что, в свою очередь, способствует возникновению втяжений барабанной перепонки различной степени [10–13].

Оценка ретракционных карманов барабанной перепонки осуществляется на основании ряда патогенетически значимых критериев, включая их анатомическую локализацию, степень выраженности деструктивных изменений (эрозивное поражение костных структур, протеолитическая активность в области втяжения и прилежащих тканях), способность к самоочищению, а также характер морфогенеза, в том числе тенденцию к формированию спаек с элементами звукопроводящего аппарата или сращению с костными стенками барабанной полости [2, 3, 14, 15]. Наиболее клинически значимыми являются карманы, характеризующиеся фиксированным положением, краевым расположением и нарушением эвакуации эпидермального содержимого, что существенно ограничивает возможности их объективного анализа при стандартной отомикроскопии и обосновывает необходимость применения высокоточных методов визуализации и динамического контроля [2, 3, 14, 15].

С внедрением в клиническую практику цифровых технологий открываются новые подходы к трехмерной визуализации анатомических структур [16]. Одним из таких перспективных методов является фотограмметрия – процесс построения трехмерной модели на основе серии перекрывающихся фотографий объекта, выполненных под разными углами [17]. Фотограмметрия базируется на принципе триангуляции, при котором измеряются расстояния и углы между опорными точками на 2D-изображениях для восстановления их пространственного расположения в трехмерной модели. Этот метод аналогичен работе 3D-сканеров, позволяя с высокой точностью определять координаты объектов в трехмерном пространстве [18–20]. Программное обеспечение Agisoft Metashape позволяет реализовать данный подход с высокой точностью, автоматизируя ключевые этапы реконструкции: выравнивание изображений, построение облака точек, формирование полигональной сетки и наложение текстуры [21]. Методология, реализованная в Agisoft Metashape, соответствует современным стандартам фотограмметрии и демонстрирует высокую воспроизводимость результатов в исследованиях геоморфологии, археологии и мониторинга окружающей среды [22–24].

Настоящее исследование посвящено разработке и апробации метода построения трехмерной модели поверхности барабанной перепонки на основе серии эндоскопических изображений, полученных с помощью цифровой камеры, соединенной с эндоскопом через фотоадаптер.

Цель работы – оценить возможность применения 3D-реконструкции в условиях стандартного амбулаторного осмотра и продемонстрировать потенциал метода для дальнейшего использования в диагностике, планировании хирургического лечения и в образовательных целях.

Материал и методы

Съемка проводилась в амбулаторных условиях у пациентов с интактной или патологически измененной барабанной перепонкой. Положение пациента – лежа или сидя с повернутой в противоположную сторону головой (рис. 1). Обезболивание или медикаментозная седация не применялась из-за безопасной и безболезненной техники проведения фотосъемки. Производилось очищение наружного слухового прохода от различного рода артефактов (слущенный эпителий, серные массы), препятствующих визуализации барабанной перепонки. В исследование не включали пациентов с заболеваниями кожи наружного слухового прохода, а также с выраженным болевым синдромом, связанным с воспалением среднего уха.

Оборудование и условия съемки

Для каждой перепонки осуществлялась серия из 20–40 перекрывающихся изображений, полученных при незначительном изменении угла наклона эндоскопа. Основное требование – наличие перекрытия между соседними изображениями не менее 90%, обеспечивающего возможность точной пространственной реконструкции поверхности.

Техническое оснащение для проведения съемки:

1. Цифровая фотокамера Canon PowerShot A590 IS (Япония) с 8,0-мегапиксельной матрицей. Камера имеет ручные настройки экспозиции и фокусировки, что позволяет получать стабильные изображения и избегать автофокусных искажений при ближней макросъемке через оптическую систему эндоскопа.
2. Жесткий эндоскоп Karl Storz (Германия) с углом обзора 0°, длиной 180 мм и диаметром 4 мм. Этот эндоскоп обеспечивает прямую визуализацию барабанной перепонки с высокой оптической четкостью. Эндоскоп оснащен стандартным Luer-Lock-интерфейсом для легкой интеграции с источником света и адаптером камеры.
3. Портативный источник света Karl Storz (артикул 11301D4, производства Германии) с рабочим напряжением 3 В и цветовой температурой света 5500 K. Этот источник обеспечивал стабильное освещение и минимизировал тени и блики на поверхности барабанной перепонки, что особенно важно для последующего сопоставления изображений в фотограмметрии.
4. Оптический адаптер, соединяющий цифровую камеру с эндоскопом, изготовлен по индивидуальному заказу на АО «ЛОМО» (Россия). Это устройство обеспечивало точное совмещение оптических осей обоих приборов, что критически важно для получения несмещенных и геометрически стабильных изображений, пригодных для трехмерной реконструкции методом Structure from Motion.

Для каждого объекта было выполнено определенное количество снимков в формате jpeg, с высоким уровнем взаимного перекрытия кадров. Изменение угла визуализации осуществлялось вручную, с минимальными отклонениями траектории и фиксацией эндоскопа в различных позициях по окружности слухового прохода. Изображения снимались с постоянным фокусным расстоянием и освещением.

Предобработка изображений

Фотографии проходили отбор по качеству (резкость, отсутствие переэкспозиции и артефактов), при необходимости выполнялась коррекция яркости и цветового баланса. Края изображений с затемнением, обусловленным особенностями оптики, удалялись путем кадрирования.

Трехмерная реконструкция

Полученные снимки были импортированы в программную среду Agisoft Metashape Professional версии 2.2.1 (дата релиза – 31.12.2024). Предварительно проводилась ручная фильтрация изображений по качеству (резкость, блики, экспозиция), после чего они подвергались этапам автоматизированной обработки в рамках фотограмметрического пайплайна:

• Align Photos – автоматическое выравнивание и определение параметров положения камеры;
• Build Dense Cloud – построение плотного облака точек;
• Build Mesh – генерация полигональной поверхности;
• Build Texture – наложение текстуры с высокой детализацией.

Все этапы выполнялись с использованием параметров высокого качества (High), без масштабирования разрешения изображений, в режиме полной фотограмметрической обработки.

Применение модели для оценки ретракции

Полученные 3D-модели использовались для количественной оценки пространственной геометрии барабанной перепонки. При использовании встроенных инструментов измерения (Distance, Profile) проводились следующие операции:

• определение глубины ретракционного кармана относительно плоскости нормальной перепонки;
• вычисление площади втяжения на текстурированной модели.

Для оценки динамики изменений у одного и того же пациента проводилось сопоставление моделей, полученных в разные временные точки. Сравнение осуществлялось методом визуального совмещения моделей (по анатомическим ориентирам) с последующим анализом разницы по глубине и площади ретракции.

Критерии оценки качества трехмерной реконструкции моделей:

• полнота покрытия барабанной перепонки;
• геометрическая достоверность (отсутствие искажений и провалов);
• точность текстурирования;
• репродуцируемость при повторной съемке;
• возможность количественного анализа глубины втяжения и профиля деформации.

Результаты

Качество исходных изображений и исходные параметры реконструкции

Загруженные в программную среду Agisoft Metashape Professional версии 2.2.1 изображения демонстрировали высокую степень выравниваемости: в каждом проекте было успешно выровнено 94–100% снимков. Среднее значение ошибки репроекции (reprojection error) не превышало 0,4 пикселя, что соответствует критерию высокой точности построения внутренних и внешних параметров камеры. На основании этих данных формировалось разреженное облако точек, служащее основой для последующих этапов пространственного моделирования.

Построение плотного облака точек и полигональной модели

После успешного выравнивания и калибровки снимков осуществлялось построение плотного облака точек. Обработка выполнялась с настройками высокого качества (High), с фильтрацией глубины Mild для минимизации шума на границах перепонки и стенок слухового прохода. В результате формировалось от 350 000 до 480 000 точек на модель, с плотностью распределения, варьирующейся от 140 до 210 точек на 1 мм², в зависимости от количества и разнообразия ракурсов.

На основе плотного облака строилась полигональная поверхность методом Delaunay-триангуляции, с автоматическим ограничением сложности до 120 000–150 000 треугольников. Полученные сетки были непрерывными, топологически целостными и не содержали сквозных дефектов. Даже в случаях ретракции с резкими углублениями моделям удавалось сохранить геометрическую достоверность при сохранении адекватной плотности сетки на участках перехода между нормальной и втянутой перепонкой.

Текстурирование моделей и визуальный анализ анатомии

Заключительный этап – наложение текстуры на трехмерную сетку – выполнялся в режиме Generic Mapping с разрешением текстуры 4096 × 4096 пикселей. При этом программа автоматически использовала изображения с наибольшей резкостью и наименьшим количеством бликов, что обеспечивало равномерную детализацию. Визуализация на готовых моделях позволила уверенно идентифицировать все ключевые анатомические элементы барабанной перепонки (рис. 2–9).

Количественный анализ втяжений барабанной перепонки

На основе построенных моделей проведена количественная оценка ретракционных изменений у пациентов с подозрением на формирование или прогрессирование ретракционного процесса. Для этого в пространстве модели определялась референтная плоскость, соответствующая нормальному положению натянутой перепонки (с опорой на края слухового прохода и ориентиры рукоятки молоточка). Измерялась максимальная вертикальная глубина втяжения от этой плоскости до наиболее удаленной точки поверхности. Также с помощью инструментов пространственного выделения рассчитывались:

• площадь участка втяжения;
• объем втянутого участка относительно нативной поверхности.

Глубина втяжений варьировала от 0,8 до 3,2 мм. Участки втяжения занимали площадь от 3,5 до 14,2 мм², в зависимости от локализации и стадии процесса. У пациентов с ретракцией в области аттика или задневерхнего квадранта модель позволяла построить сагиттальный и фронтальный профиль поверхности, что давало возможность не только количественной, но и морфометрической оценки кривизны.

Сравнение моделей при динамическом наблюдении

У двух пациентов проведено повторное 3D-сканирование через три и шесть месяцев соответственно. Полученные повторные модели были совмещены с исходными по ряду анатомических точек (короткий отросток, центр пупка перепонки, проекция сосудистой полоски). Совмещение моделей позволило наглядно оценить изменение пространственной конфигурации втяжения:

• у одного пациента наблюдалось увеличение глубины ретракции на 0,9 мм и расширение площади на 3,3 мм²;
• у второго – углубление на 0,4 мм с незначительным увеличением площади (на 2,1 мм²);
• при этом в обоих случаях профиль втяжения становился более крутым, а область втяжения распространялась к задневерхнему квадранту.

Данные наблюдения подтверждают возможность применения предложенной методики для объективного контроля динамики ретракционного процесса в ходе наблюдения.

Ограничения метода, выявленные в исследовании

В ходе обработки были выявлены факторы, ограничивающие точность и воспроизводимость моделей:

• сильные блики от освещенной поверхности барабанной перепонки снижали надежность сопоставления ключевых точек, особенно в центральной зоне; это требовало ручного исключения отдельных изображений;
• неполный охват зоны втяжения возникал при узости слухового прохода, ограничивающей возможность варьирования угла обзора (это особенно касалось задневерхнего квадранта и области аттика).
• глубокие втяжения с резкими переходами создавали участки тени или геометрической неопределенности, что в ряде случаев снижало плотность точек и ухудшало разрешение модели в соответствующей зоне.

Тем не менее, несмотря на указанные ограничения, построенные модели сохраняли диагностическую и измерительную пригодность и позволяли проводить количественную оценку втяжения даже при частичной утрате данных.

Обсуждение

Оценка пространственной конфигурации барабанной перепонки, особенно при ее ретракции, представляет собой одну из наименее стандартизированных задач в отиатрии. Несмотря на широкое распространение эндоскопии и отомикроскопии, визуальное суждение врача о степени втяжения остается субъективным и не всегда совпадает у разных специалистов. В этой связи актуальными становятся подходы, позволяющие получить объективные и количественно воспроизводимые данные, в частности – с применением трехмерной реконструкции.

В ряде исследований последних лет подтверждена возможность построения анатомических 3D-моделей [25–27], в том числе и структур уха, на основе данных КТ и МРТ [28, 29]. Однако частое использование томографических методов в амбулаторной практике ограничено из-за их кумулятивных рисков, стоимости и отсутствия возможности динамического контроля. Альтернативой является фотограмметрический метод, обеспечивающий построение точных трехмерных моделей на основе двумерных изображений при условии их достаточного количества и перекрытия [16].

В данной работе продемонстрирована возможность создания трехмерной модели поверхности барабанной перепонки на основе серии эндофотографий, полученных в условиях амбулаторного приема, без применения дорогостоящего оборудования или программных средств визуализации, требующих радиационной нагрузки. Использование программной платформы Agisoft Metashape, основанной на методе Structure from Motion (SfM), позволило получить геометрически точные и текстурированные цифровые реконструкции, пригодные для количественного анализа ретракции.

Согласно опубликованным данным, ранее подобные методы применялись преимущественно в стоматологии и дерматологии для анализа поверхностей [30–32], однако их трансляция в область отиатрии открывает новые клинические перспективы. В частности, анализ профиля втяжения перепонки вдоль рукоятки молоточка или по направлению к аттику может использоваться для определения стадии ретракционного процесса по классификации Sade или Tos [6, 33, 34], но уже с опорой на точные цифровые метрики.

Дополнительным преимуществом предложенного подхода является возможность динамического мониторинга. Построение моделей в разные временные точки позволяет не только сравнивать визуальную картину, но и проводить субъективно независимое сопоставление глубины и площади ретракции, что имеет большое значение при принятии решений о хирургическом вмешательстве. Таким образом, методика может быть использована для контроля пациентов с патологией, известной как «ретракционный карман», на стадии наблюдения, без необходимости немедленного хирургического вмешательства.

Следует отметить, что метод имеет и ограничения. Качество 3D-модели существенно зависит от условий съемки: стабильности руки исследователя, глубины резкости, наличия переэкспонированных участков, симметричных элементов и пр. Однако опыт показывает, что при соблюдении протокола и применении камер разрешением от 8 Мп можно добиться устойчиво воспроизводимых результатов.

Перспективным направлением развития методики является ее интеграция с данными компьютерной томографии, в частности для уточнения пространственного положения костных ориентиров (молоточек, короткий отросток, граница аттика). Также возможно использование полученных цифровых моделей в обучающих целях и при планировании реконструктивных операций, особенно в условиях анатомических вариаций или повторных вмешательств.

Заключение

Использование фотограмметрии открывает новые возможности в сфере здравоохранения. Метод позволяет создавать высокоточные 3D-модели анатомических структур, что способствует детальной и персонализированной диагностике. Это особенно актуально для реконструктивной хирургии и послеоперационного наблюдения.

В телемедицине технология открывает возможности для инновационного взаимодействия специалистов, повышая эффективность совместной диагностики и терапии. Кроме того, использование метода обогащает клинические исследования ценными данными, способствуя разработке новых терапевтических подходов и оптимизации существующих протоколов. Таким образом, фотограмметрия укрепляет позиции в качестве перспективного инструмента современной медицины.