Εθνομεθοδολογική έρευνα σε εργαστήριο επεξεργασίας και ανάλυσης ιατρικής εικόνας για την ανάπτυξη συστημάτων υποβοηθούμενης διάγνωσης με τεχνητή νοημοσύνη: μια προσέγγιση βασισμένη στην αυτό-εκπαιδευτική πρακτική

Abstract

This dissertation is an ethnomethodological laboratory study conducted in a research laboratory specializing in the development of computer-aided diagnosis (CAD) systems. The aim of the study was to describe a contemporary scientific field, that of Biomedical Engineering, through its constituting practices, as well as to explicitly articulate how these practices are involved in research work. In particular, I focused on how data is shaped during the pre-processing and processing stages. The study focuses on describing my self-instructive practice based on established research practices of the laboratory members. Self-instructive practice has been developed within the ethnomethodological tradition, and its key distinction—in relation to other research approaches in the social sciences—is that this specific approach requires the social researcher to be instructed to the subject being investigated. In this way, the researcher involved in the practice gains access to the technical details that constitute the subject she intends to study.The research was conducted at the Medical Signal and Image Processing Laboratory of the Division of Biosciences and Biomedical Informatics in the Department of Biomedical Engineering at the University of West Attica. Among other things, the laboratory’s research focuses on developing algorithms designed to assist in medical diagnosis through what are known as Decision Support Systems (DSS). In this specific field, these systems are also known as Computer-Aided Diagnosis (CAD) systems and are based on Pattern Recognition (PR) techniques. Pattern recognition is a scientific field focusing on the analysis, identification, and classification of information into specific classes (categories), and it has numerous applications. According to the laboratory’s researchers, these systems improve two critical aspects of modern medical diagnosis. These are: first, the rapid evaluation of findings, and second, the minimization of medical errors. As an associate professor in the department notes: “In recent years, AI systems have made a strong entry into the healthcare field with numerous applications in the biomedical sciences and particularly in clinical practice, guiding physicians, biologists, and other health scientists, as well as healthcare professionals, in making decisions that improve the quality of healthcare services provided to patients. ”The academic discipline of this dissertation is the field of Science, Technology, and Society (STS), as well as the social sciences more broadly. Specifically, as I present in the theoretical chapter, I study and draw research tools from a body of literature concerning the study of practice in scientific work, with an emphasis on ethnographic and ethnomethodological approaches. More specifically, I have drawn part of my research tools from approaches that have emerged from the ethnomethodological tradition, such as multimodal video analysis and conversation analysis, which focus on the indicative nature of social interactions. In this context, the main methodology followed in this dissertation is the practice of the social researcher’s self-education regarding the subject under study. This approach, by making explicit the analyst’s practical experience, aims to reconstruct this technique through a description of the ways in which it is constituted. Some of the questions I formulated in this context were the following: What are the most established, routine, and at the same time constitutive practices of writing code for the analysis and processing of medical images? How do the different materialities of the environment contribute to the construction of scientific vision in the laboratory? In what ways do the bodies of researchers contribute both to the construction both in the interpretation of scientific data and in the creation of the data itself?

Η παρούσα διατριβή αποτελεί μια εθνομεθοδολογική μελέτη εργαστηρίου, η οποία διεξήχθη σε ερευνητικό εργαστήριο ανάπτυξης συστημάτων υπολογιστικά υποβοηθούμενης διάγνωσης (Computer Aided Diagnosis-CAD). Στόχος της μελέτης είναι να περιγράψει έναν σύγχρονο επιστημονικό τομέα, αυτόν της Βιοϊατρικής Μηχανικής, μέσα από τις πρακτικές που τον συγκροτούν, καθώς και να καταστήσει ρητό το πώς οι εν λόγω πρακτικές εμπλέκονται στην ερευνητική εργασία. Ιδιαίτερα ασχολήθηκα με το πώς γίνεται η διαμόρφωση των δεδομένων στα στάδια της προ-επεξεργασίας και της επεξεργασίας. Η μελέτη επικεντρώνεται στην περιγραφή της αυτοεκπαιδευτικής μου πρακτικής (self-instructive practice) πάνω σε καθιερωμένες πρακτικές της ερευνητικής εργασίας των μελών του εργαστηρίου. Η αυτοεκπαιδευτική πρακτική έχει διαμορφωθεί εντός της εθνομεθοδολογικής παράδοσης, και βασική της διαφοροποίηση -σε σχέση με άλλες ερευνητικές προσεγγίσεις των κοινωνικών σπουδών- είναι ότι η συγκεκριμένη προσέγγιση έχει ως προαπαιτούμενο την εκπαίδευση της κοινωνικής ερευνήτριας στο αντικείμενο που ερευνά. Με αυτόν τον τρόπο, η εμπλεκόμενη στην πρακτική ερευνήτρια αποκτάει πρόσβαση στις τεχνικές λεπτομέρειες που συγκροτούν το αντικείμενο που προτίθεται να μελετήσει. Η έρευνα διενεργήθηκε στο Εργαστήριο Επεξεργασίας Ιατρικού Σήματος και Εικόνας του Τομέα Βιοεπιστημών και Βιοϊατρικής Πληροφορικής του Τμήματος Μηχανικών Βιοϊατρικής του Πανεπιστημίου Δυτικής Αττικής. Μεταξύ άλλων, ερευνητικό αντικείμενο του εργαστηρίου αποτελεί η δημιουργία αλγορίθμων με σκοπό την υποβοήθηση της ιατρικής διάγνωσης μέσω των λεγόμενων και Συστημάτων Υποστήριξης Απόφασης (ΣΥΑ). Στον συγκεκριμένο τομέα, τα συστήματα αυτά ονομάζονται και συστήματα υποβοήθησης της διάγνωσης (Computer Aided Diagnosis -CAD), και βασίζονται στην αναγνώριση προτύπων (Α.Π.) (Pattern Recognition). Η αναγνώριση προτύπων είναι επιστημονικό πεδίο που έχει ως αντικείμενο την ανάλυση, αναγνώριση και την ταξινόμηση πληροφορίας σε κάποια συγκεκριμένη κατηγορία, και έχει πολλές εφαρμογές. Σύμφωνα με τους ερευνητές του εργαστηρίου, τα συστήματα αυτά βελτιώνουν δύο κρίσιμα ζητήματα στη σύγχρονη ιατρική διάγνωση. Αυτά είναι: πρώτον, η ταχεία αξιολόγηση των ευρημάτων και δεύτερον, η ελαχιστοποίηση των ιατρικών σφαλμάτων. Όπως αναφέρει αναπληρωτής καθηγητής του τμήματος : «Τα ΣΥΑ, τα τελευταία χρόνια έχουν εισέλθει δυναμικά στον χώρο της υγείας με πολλές εφαρμογές στις βιοϊατρικές επιστήμες και ιδιαίτερα στην κλινική πράξη, καθοδηγώντας ιατρούς, βιολόγους και άλλους υγειονομικούς επιστήμονες καθώς και επαγγελματίες της υγείας σε αποφάσεις που βελτιώνουν την ποιότητα παροχής υπηρεσιών υγείας στους ασθενείς.» Η επιστημονική περιοχή αναφοράς της διατριβής είναι το πεδίο Τεχνολογία, Επιστήμη και Κοινωνία γνωστό και ως (Science and Technology Studies-STS), καθώς και ευρύτερα οι κοινωνικές επιστήμες. Ειδικότερα, όπως παρουσιάζω και στο θεωρητικό κεφάλαιο, μελετώ και αντλώ ερευνητικά εργαλεία από μια βιβλιογραφία που αφορά στη μελέτη της πρακτικής στην επιστημονική εργασία, με έμφαση σε προσεγγίσεις με εθνογραφικό και εθνομεθοδολογικό χαρακτήρα. Πιο ειδικά μέρος των ερευνητικών μου εργαλείων το έχω αντλήσει από προσεγγίσεις που έχουν διαμορφωθεί μέσα από την εθνομεθοδολογική παράδοση, όπως είναι η πολυτροπική ανάλυση βίντεο και ανάλυσης συνομιλίας, οι οποίες εστιάζουν τον ενδεικτικό χαρακτήρα των κοινωνικών αλληλεπιδράσεων. Στο πλαίσια αυτό, η κύρια μεθοδολογία που έχει ακολουθηθεί στην παρούσα διατριβή είναι η πρακτική της αυτό-εκπαίδευσης της ίδιας της κοινωνικής ερευνήτριας στο υπό μελέτη αντικείμενο. Η προσέγγιση αυτή, κάνοντας ρητή την πρακτική εμπειρία της αναλύτριας αποσκοπεί στην ανάκτηση αυτής της τεχνικής μέσα από την περιγραφή των τρόπων διά των οποίων συγκροτείται. Κάποια από τα ερωτήματα που διαμόρφωσα σε αυτό το πλαίσιο ήταν τα εξής: Ποιες είναι οι πιο καθιερωμένες, τετριμμένες και ταυτόχρονα συγκροτητικές πρακτικές της συγγραφής κώδικα για την ανάλυση και επεξεργασία ιατρικής εικόνας; Πώς διαφορετικές οι υλικότητες του περίγυρου συμβάλουν στη συγκρότηση της επιστημονικής όρασης στο εργαστήριο; Με ποιους τρόπους τα σώματα των ερευνητών συμβάλουν τόσο στη συγκρότηση του νοήματος για τα επιστημονικά δεδομένα όσο και στην ίδια τους τη δημιουργία; Μεθοδολογία Η έρευνά μου στο εργαστήριο δομήθηκε στην ενεργή εμπλοκή μου στην υπό μελέτη πρακτική, η οποία πραγματοποιήθηκε μέσα από την εκπαίδευσή μου σε μια σειρά από εργαστηριακές πρακτικές, στις οποίες κατάφερα να εμπλακώ ακολουθώντας μέρος της πρακτικής των εκπαιδευόμενων Μηχανικών Βιοϊατρικής. Ειδικότερα, στο κομμάτι της αυτοεκπαίδευσης ακολούθησα τις καθιερωμένες οδηγίες που δίνει το συγκεκριμένο εργαστήριο σε φοιτήτριες/τες οι οποίες αναλαμβάνουν διπλωματική εργασία σε αυτό το αντικείμενο. Στο πλαίσιο αυτό, εκπαιδεύτηκα στην παρατήρηση και στη δημιουργία ιστοπαθολογικών εικόνων μέσω ψηφιακού μικροσκοπίου, καθώς και σε μία από τις βασικές γλώσσες προγραμματισμού που χρησιμοποιούν στο εργαστήριο, τη Matlab. Επίσης, συμμετείχα σε ένα μικρού μεγέθους πρότζεκτ μικροσκοπίας. Το πρότζεκτ είχε σχεδιαστεί από Αναπληρωτή Καθηγητή του τμήματος για φοιτητές του προγράμματος Εράσμους, στο πλαίσιο του προπτυχιακού προγράμματος. Στόχο είχε την απεικόνιση απομονωμένων πυρήνων σε ιστοπαθολογικές εικόνες εγκεφάλου μέσω αλγορίθμου επεξεργασίας εικόνας. Η απομόνωση των πυρήνων αποτελεί στάδιο της προεπεξεργασίας των εικόνων για τη μετέπειτα χρήση τους στην κατασκευή αλγόριθμου αυτόματης διάγνωσης. Κεντρική πηγή έμπνευσης και στη συνέχεια οδηγό της έρευνάς μου αποτέλεσε το «αρχιμήδειο σημείο» των εθνομεθοδολόγικών ερευνών, σύμφωνα με το οποίο τα υπό μελέτη σκηνικά χρειάζεται να αντιμετωπίζονται ως αυτοεξηγούμενα (self-explicating settings). Όπως έχει χαρακτηριστικά διατυπώσει ο Sacks, «Η σχέση ανάμεσα σε δράση, νόημα και κατανόηση στην καθημερινότητα δεν συνιστά πρόβλημα. Το πρόβλημα του νοήματος είναι γέννημα της μεθοδολογίας, η οποία συχνά λειτουργεί ως εννοιολογική κρύπτη, επινοημένη από τον ίδιο τον κοινωνικό επιστήμονα. Ο τρόπος που προτείνει για να αποφύγουμε αυτή την παγίδα είναι να διασφαλίσουμε ότι οι μέθοδοι που οι άνθρωποι χρησιμοποιούν στην κοινωνική τους ζωή, θα αποτελέσουν στην πράξη το έδαφος και των δικών μας ερευνών». Αυτή η προσέγγιση ακούμπησε στη δική μου ανησυχία που είχε να κάνει με το από ποια θέση θα ήταν έγκυρο να μιλήσω για το υπό μελέτη αντικείμενο. Έτσι, μελετώντας την παραπάνω βιβλιογραφία, σταδιακά στη διάρκεια της έρευνας πήρα την απόφαση να δομήσω την έρευνά μου πάνω στην ενεργή εμπλοκή μου με το υπό μελέτη αντικείμενο, μέσω της αυτοεκπαιδευσης μου σε αυτό. Η βασική μεθοδολογική πρακτική που χρησιμοποιώ είναι η έλλειψη εξοικείωσης, ή -πιο εμφατικά- η τεχνική άγνοια μου πάνω στο υπό εξέταση πεδίο, ως η κύρια πηγή περιγραφικής ανάλυσης. Πιο αναλυτικά, μέσα από αυτή την εμπλοκή διαμόρφωσα μια περιγραφή βασισμένη στην εν εξελίξει κατανόηση για το υπό μελέτη αντικείμενο. Σε αυτήν την προσπάθεια, εμπνεύστηκα από ερευνητικές προτάσεις που έχουν διαμορφωθεί στο πλαίσιο της εθνομεθοδολογικής παράδοσης. Προτάσεις σύμφωνα με τις οποίες η εστίαση μετακινείται από το υπό παρατήρηση αντικείμενο προς την ίδια την παρατήρηση ως δυνατότητα και ως αναδυόμενη ικανότητα. Η ερευνήτρια δεν εμπλέκεται απλά στη δραστηριότητα της παρατήρησης αλλά και στον αναστοχασμό και στην έρευνα για τους ποικίλους τρόπους με τους οποίους επιτυγχάνεται αυτή η παρατήρηση. Το κύριο ζητούμενο, εδώ, είναι να γίνει ρητή η υπό εξέταση πρακτική με τους ίδιους τους όρους των αναγνωριστικών (identifying) λεπτομερειών της. Αξίζει να σημειωθεί ότι η ερμηνευτική δυνατότητα εξελίσσεται σταδιακά ως μια δυνατότητα κατανόησης, ενώ παράλληλα η κατανόηση αυτή, αναδεικνύεται σε ερευνητικό εργαλείο, σε data και ταυτόχρονα σε μέσο περιγραφής. Σε αυτή την κατεύθυνση, ένα μεγάλο μέρος της διατριβής αποτελεί αυτό που ο Garfinkel ονομάζει πραξεολογική περιγραφή (praxeological description). Πρόκειται για μια περιγραφή η οποία, όπως αναφέρει, «….δεν είναι κάτι επιπρόσθετο που να μπορούμε να το αντιστοιχίσουμε με το υπό μελέτη φαινόμενο και τις ιδιότητες του, κάτι τέτοιο θα μπορούσε να μας κάνει να χάσουμε το ίδιο το φαινόμενο.» Αντίθετα, η περιγραφή που προσδοκά να φέρει σε πέρας είναι μέρος «..της ενδεικτικής (instructable) παραγωγής και αναπαραγωγής του ίδιου του φαινομένου». Για παράδειγμα, μια τέτοια περιγραφή μπορεί να συνιστά μέρος οδηγιών, επί τόπου λογικών εξηγήσεων ή λύσεων κ.α. Στην πορεία της έρευνας μου, έγινε αντιληπτό ότι αυτή η προτροπή της ενεργής εμπλοκής μου συνεπαγόταν κάτι πολύ σημαντικό σε σχέση με την κατανόηση μου για την εργαστηριακή εργασία, για να μπορέσω να κατανοήσω την πρακτική τους, έπρεπε οι ερωτήσεις μου να είναι μέρος της διαδικασίας επίλυσης προβλημάτων που πηγάζουν από αυτή. Απότοκο του εγχειρήματος που επιχειρώ στη διατριβή είναι και το ότι η ερευνητική μου ατζέντα διαμορφωνόταν παράλληλα με την πρακτική μου, βάσει των προβλημάτων που ανέκυπταν στη διάρκειά της, με ερωτήματα που έχουν άμεση συσχέτιση με τις τεχνικές λεπτομέρειες της υπό μελέτη πρακτικής. Καταπιάνομαι, δηλαδή, με τις απαντήσεις σε πολύ συγκεκριμένα ερωτήματα, των οποίων η διαμόρφωση και το νόημα έχει άμεση συσχέτιση με τη διαδικασία συγκρότησης του υπό μελέτη αντικειμένου. Κεντρικό ερώτημα της έρευνας μου είναι το: «Πως επιτυγχάνεται η συγκρότηση της απομόνωσης των πυρήνων στην πράξη, ώστε να υλοποιηθεί με επιτυχία η τμηματοποίηση της εικόνας;» Το ερώτημα αυτό ως έναν βαθμό ταυτίζεται με τη στοχοθεσία του ίδιου του project. Ωστόσο, κύρια διαφορά ανάμεσα στα δύο είναι ότι το ερώτημα της μελέτης μου, πέρα από την εμπλοκή στην πρακτική που απαιτεί, προϋποθέτει και τον αναστοχασμό πάνω σε αυτή. Στην πορεία προς στην απάντηση του ερωτήματος αυτού, άρχισα να αποκτώ την πρακτική ενσώματη εμπειρία αναφορικά με το σε τι συνίσταται η επίτευξη των διαδικασιών, όχι σε σχέση με την υλοποίηση μεμονωμένων πρακτικών, αλλά σε σχέση με το πώς οι επιμέρους εργασίες συμβάλουν στη συγκρότηση μιας ευρύτερης εργασίας καθώς και στον πρακτικό σκοπό της. Τα ερωτήματα που προέκυψαν στο πλαίσιο της έρευνάς μου είχαν άμεση συσχέτιση με τις τεχνικές πρακτικές της εργασίας που μελετούσα. Κάποια από αυτά είναι τα ακόλουθα: Τι είδους φίλτρο να επιλέξω για να είναι πιο σαφή τα σχήματα των πυρήνων στην εικόνα μου; ή τι τύπου κατωφλίωση θα κάνω, απλή ή με υστέρηση, για να εμφανιστούν μόνο οι πυρήνες στην εικόνα μου;