Brain Roads — Voxel Model


After having questioned the use of colour in tractographic representations of the brain, we question the formal register of the 3D models used and their adequacy to reality.

Après avoir interrogé l’usage de la couleur dans les représentations tractographiques du cerveau, nous questionnons le registre formel des modèles 3D employés et leur adéquation à la réalité.

We find that the use of organically inspired 3D envelopes struggles to capture the different states of matter that surgeons encounter during operations. The tumour is not a clearly delimited foreign body; it is an alteration of the brain matter itself. This alteration is not uniform but progressive, making the tumour a diffuse entity that is difficult to circumscribe. Current images therefore pose a problem of accuracy of representation and can lead to misinterpretation. How then can we represent the uncertainty, the information actually available, without extrapolating our knowledge by using inadequate forms?

Nous constatons que l’emploi d’enveloppes 3D d’inspiration organique peine à rendre compte des différents états de la matière que rencontre les chirurgiens durant les opérations. La tumeur n’est pas un corps étranger clairement délimité ; c’est une altération de la matière même du cerveau. Cette altération n’est pas uniforme mais progressive, faisant de la tumeur une entité diffuse difficile à circonscrire. Les images actuelles posent donc un problème de justesse des mode de représentation et peuvent mener à une mauvaise interprétation. Comment alors représenter l’incertitude, l’information réellement disponible, sans extrapoler nos connaissances en employant des formes inadéquates ?

Current 3D bio-inspired shapes used to represent the brain and the tumor / formes 3D actuelles, d’inspiration organiques, utilisées pour représenter le cerveau et la tumeur.)

Hypothesis / Hypothèse

Our experimental attempt is to remove the organically inspired 3D shapes and return to a representation system based on the matrix of voxels - the volumetric pixels of the MRI scan - which constitute the real information available, and then to develop a meta-commentary capability on each voxel position. We hypothesise that this shift in the mode of representation allows us to move from realistic to real. By leaving the realism of 3D forms, we enter an aesthetically abstract model, a kind of mental space that expresses with the same intensity the recorded information and the unknown that surrounds it, thus offering a representation that is closer to the real level of information available on the observed brain.

Notre tentative expérimentale est la suivante : supprimer les formes 3D d’inspiration organique pour revenir à un système de représentation basé sur la matrice de voxels – les pixels volumiques du scan IRM – qui constituent les réelles informations disponibles, puis, développer une capacité de commentaire méta sur chaque position de voxels. Nous formons l’hypothèse que ce déplacement du mode de représentation nous permet de passer du réaliste au réel. En quittant le réalisme des formes 3D, nous entrons dans un modèle esthétiquement abstrait, une sorte d’espace mental qui exprime avec la même intensité les informations enregistrées et l’inconnu qui les environne, offrant ainsi une représentation plus proche du réel niveau d’information dont on dispose sur le cerveau observé.

Outline of a voxel model applied to the representation of a brain / Esquisse d’un modèle de voxel appliqué à la représentation d’un cerveau. Olaf Avenati.

Seeing Through Digitised Matter / Voir à travers la matière numérisée

MRI scanned material produces a dataset of voxels: volumetric pixels, arranged in a matrix, which record a state of the material with coordinates. The voxel is therefore the smallest grain of information recorded. It is nevertheless relatively coarse (1mm on a side), in relation to the matter analysed (the brain). The voxel is usually represented as an opaque cube, which varies in colour. This is why MRIs are generally observed on screen in the form of successive slices to allow the complete information of the recording to be taken into account. The challenge for us is to analyse and work on the shape of the voxel to enable the volumetric aspect of the information to be perceived without necessarily using slices that would act as filters for the information.

La matière numérisée par IRM produit un dataset de voxels : des pixels volumiques, agencés en matrice, qui enregistrent un état de la matière à coordonnées. Le voxel est donc le plus petit grain d’information enregistrée. Il est pourtant relativement grossier (1mm de côté), en rapport à la matière analysée (le cerveau). On représente généralement le voxel sous forme de cube opaque, dont la teinte varie. C’est pourquoi les IRM sont généralement observées à l’écran sous forme de coupes successives pour permettre de prendre en compte l’information complète de l’enregistrement. L’enjeu pour nous est d’analyser et travailler la forme du voxel pour permettre de percevoir l’aspect volumique de l’information sans nécessairement procéder à des coupes qui agiraient comme des filtres de l’information.

Filtrage des voxels en appliquant des interval de valeurs. Recherche graphique / Filtering of voxels by applying value ranges. Graphical search. Antoine Sigur.

Du Voxel-cube au voxel-point : changer de convention de représentation pour rendre transparente la matière numérisée sans perdre d’information en chemin / From Voxel-cube to Voxel-point: changing the representation convention to make the digitised material transparent without losing information along the way. Olaf Avenati.

Du voxel-cube au voxel-points. Recherche graphique / From Voxel-cube to Voxel-point. Graphical research. Laurie Paolin.

Représenter une matrice de voxel-points. Recherche graphique / Representing a voxel-point matrix. Graphical research. Amélie Blachère.

Setting things in motion / Animer les choses

Evolution d’une matrice de Voxels-points. Expérimentation animée / Evolution of a matrix of voxel-points. Animated experiment. Grégoire Gamichon & Charles Dessaint.

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Filtrage dynamique d’une matrice de voxels. Expérimentation animée avec le logiciel Cinema-4D / Dynamic filtering of a matrix of voxels. Animated experimentation with Cinema-4D software. Maia Xavier.

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Partnership of four institutions
ESAD de Reims
Télécom SudParis - Institut polytechnique de Paris
Cluster of Excellence Matters of Activity, Humboldt-Universität zu Berlin - Image Space Material. Project: Adaptive Digital Twin
Charité-Universitätsmedizin Berlin (Hôpital Universitaire) - Image Guidance Lab. Department of Neurosurgery with Pediatric Neurosurgery

René Descartes, « Traité de l’homme », 1664. The long fiber from the foot to the head cavity is activated by the perception of heat and releases a fluid that contracts the muscles / La longue fibre qui va du pied à la cavité de la tête est actionnée par la perception de la chaleur et libère un fluide qui contracte les muscles. source

Principal investigators

Olaf Avenati - ESAD de Reims
Thomas Picht - Charité & Cluster MOA, HU Berlin
Michel Simatic - Télécom SudParis / IMT, IP Paris

Participants


FRANCE

ESAD de reims
Guillaume Andres, Amélie Bachère, Fiona Bosquier, Charles Dessaint, Grégoire Gamichon, Hoyam Mraizika, Laurie Paolin, Antoine Sigur, Maïa Xavier, Master1 students of graphic and digital design dept.

Télécom SudParis - Institut polytechnique de Paris
Julien Dock and Erwan Castioni, Master1 students of TSP – Institut Polytechnique de Paris

ESAD de Reims:
Olaf Avenati, Graphic & Digital Designer, Lecturer

Télécom SudParis - Institut polytechnique de Paris:
Michel Simatic, Engineer, Senior lecturer


GERMANY

Charité Universitäts-medizin Berlin:
Thomas Picht, PD Dr. Med. Neurosurgeon
Lucius Fekonja, Project Leader “Cutting”

Cluster Matters of Activity. image, space, material:
Patricia Ribault, Junior Professor
Maxime Le Calvé, Post-doctoral researcher

» Other projects of the Datavisualization Program at ESAD de Reims [in french]