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 is to describe a contemporary scientific field, that of Biomedical Engineering, through the practices that constitute it, as well as to articulate how these practices are involved in research work. 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, with its main characteristic and prerequisite being the social researcher’s own education in the subject she intends to study.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 first chapter of the dissertation, 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, such as multimodal video analysis and conversation analysis. In this vein, the primary methodology employed in this dissertation is the social researcher’s own practice of self-training in the practice under study. This approach, by explicitly highlighting the analyst’s practical experience, aims to capture the technical details of the practice under study through a description of the ways in which it is constituted. My research was conducted at the Medical Signal and Image Processing Laboratory of the Department of Biomedical Engineering at the University of West Attica. It was primarily based on my self-directed study in a series of laboratory exercises that are part of research projects aimed at developing algorithms to assist in medical diagnosis through so-called Decision Support Systems. As part of my self-directed learning, by following part of the practical training of biomedical engineering students, I was able to participate in the same practical activities. Specifically, I was trained in the observation and creation of histopathological images using a digital microscope, as well as in the Matlab programming language. I also participated in a microscopy project aimed at visualizing isolated nuclei in brain histopathological images using an image processing algorithm based on segmentation techniques.The first research chapter, which corresponds to the second chapter of the dissertation as a whole, concerns the analysis of a video recording from the laboratory work on the digitization of histopathology images and the creation of regions of interest (ROI). For this analysis, I relied on Conversation Analysis tools. Specifically, I examined how scientists, during collaborative work on creating regions of interest, understand, shape, and classify their experimental data through the engagement of their bodies with digital technology. In the following chapters, I shift methodologically from observing the practice under study to my embodied engagement with it. My practice at the microscope and the creation of digitized images from histopathology slides constituted the subject of the third chapter of my dissertation. Through my hands-on engagement and the difficulties, I encountered—which concerned the handling of the microscope (focusing, cleaning the lenses, and so on), a series of tactile techniques emerged that the dexterity of experienced researchers rendered invisible.In the fourth chapter, I describe my self-study process in the Matlab programming language. A significant portion of the chapter is devoted to my efforts to solve exercises in the Matlab programming language. Specifically, I describe the step-by-step process of solving them as a beginner user of the language, emphasizing my mistakes and omissions and thus bringing to light those technical practices that, while fundamental to writing code, experienced programmers tend not to mention them, taking them for granted; a typical example is copy/paste, commenting, running the code, and searching the internet. The fifth and final chapter of the thesis presents the programming component of the microscopy project. The ultimate goal of this project was the digital visualization of isolated nuclei in brain cancer cells using training code. My involvement in this type of project with clear objectives was a conscious choice. This is because my aim was to describe the effort to identify and implement the appropriate technical practices for carrying out a specific task. The aim of such a description is to present a research process in a way that makes it understandable—through the details of the practices themselves—how researchers carry out the individual practices from the perspective of experimental adequacy, rather than presenting a mere description of technical correctness. Through this engagement, I formulated a description based on my evolving understanding of the subject under study. The main objective was to make the practice under examination explicit in its own terms—that is, through its identifying details—while also studying the various ways in which its observation is achieved. During my practice—that is, when I carried out the processes for isolating the nuclei, and specifically during the introduction of the thresholds, a procedure I repeated several times— I described the segmentation practices through the evolution of my understanding of them. I was able to articulate the answer to why, how, and when I used the low-pass filter and simple thresholding with a threshold of 13. Thus, this dissertation has made possible a description that both explains and contributes to the practical implementation of nuclei isolation.

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. 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, με κύριο χαρακτηριστικό και προαπαιτούμενο να αποτελεί η εκπαίδευση της ίδιας της κοινωνικής ερευνήτριας στο αντικείμενο που προτίθεται να μελετήσει. Η επιστημονική περιοχή αναφοράς της διατριβής είναι το πεδίο Επιστήμη, Τεχνολογία και Κοινωνία (Science Technology and Society-STS), καθώς και ευρύτερα οι κοινωνικές επιστήμες. Ειδικότερα, όπως παρουσιάζω και στο πρώτο κεφάλαιο της διατριβής, 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, όπως είναι η πολυτροπική ανάλυση βίντεο και ανάλυσης συνομιλίας. Σε αυτή την κατεύθυνση, η κύρια μεθοδολογία που έχει ακολουθηθεί στην παρούσα διατριβή είναι η πρακτική της αυτοεκπαίδευσης της ίδιας της κοινωνικής ερευνήτριας στην υπό μελέτη πρακτική. Η προσέγγιση αυτή, κάνοντας ρητή την πρακτική εμπειρία της αναλύτριας, αποσκοπεί στην ανάκτηση των τεχνικών λεπτομερειών της υπό μελέτη πρακτικής μέσα από την περιγραφή των τρόπων διά των οποίων συγκροτείται. Η έρευνά μου διενεργήθηκε στο Εργαστήριο Επεξεργασίας Ιατρικού Σήματος και Εικόνας του Τμήματος Μηχανικών Βιοϊατρικής του Πανεπιστημίου Δυτικής Αττικής. Κατά κύριο λόγο δομήθηκε επάνω στην αυτοεκπαίδευσή μου σε μια σειρά από εργαστηριακές πρακτικές που αποτελούν μέρος ερευνητικών εγχειρημάτων με στόχο τη δημιουργία αλγόριθμων για την υποβοήθηση της ιατρικής διάγνωσης μέσω των λεγόμενων και Συστημάτων Υποστήριξης Απόφασης. Στο πλαίσιο της αυτοεκπαίδευσης, ακολουθώντας μέρος της πρακτικής των εκπαιδευόμενων Μηχανικών Βιοϊατρικής κατάφερα να εμπλακώ στις ίδιες πρακτικές. Ειδικότερα, εκπαιδεύτηκα στην παρατήρηση και στη δημιουργία ιστοπαθολογικών εικόνων μέσω ψηφιακού μικροσκοπίου, καθώς και στη γλώσσα προγραμματισμού Matlab. Επίσης, συμμετείχα σε πρότζεκτ μικροσκοπίας, με στόχο την απεικόνιση απομονωμένων πυρήνων σε ιστοπαθολογικές εικόνες εγκεφάλου μέσω αλγορίθμου επεξεργασίας εικόνας που βασιζόταν σε τεχνικές τμηματοποίησης (segmentation). Το πρώτο ερευνητικό κεφάλαιο, το οποίο αντιστοιχεί στο δεύτερο της συνολικής διατριβής, αφορά στην ανάλυση ενός αποβιντεοσκοπημένου αποσπάσματος από την εργαστηριακή εργασία ψηφιοποίησης εικόνων ιστοπαθολογίας και δημιουργίας περιοχών ενδιαφέροντος (Regions Of Interest-ROI). Για την ανάλυσή του βασίστηκα στα εργαλεία της Ανάλυσης Συνομιλίας. Ειδικότερα, εξέτασα το πώς οι επιστήμονες, στη διάρκεια συνεργατικής εργασίας για τη δημιουργία περιοχών ενδιαφέροντος, κατανοούν, διαμορφώνουν και ταξινομούν τα πειραματικά τους δεδομένα μέσα από την εμπλοκή των σωμάτων τους με την ψηφιακή τεχνολογία. Στα κεφάλαια που ακολουθούν μετατοπίζομαι μεθοδολογικά, από την παρατήρηση της υπό μελέτη πρακτικής στην ενσώματη εμπλοκή μου σε αυτή. Η πρακτική μου στο μικροσκόπιο και η δημιουργία ψηφιοποιημένων εικόνων από πλακάκια ιστοπαθολογίας αποτέλεσε το θέμα του τρίτου κεφαλαίου της διατριβής μου. Μέσα από την ενσώματη εμπλοκή μου και τις δυσκολίες που αντιμετώπισα, οι οποίες αφορούσαν στον χειρισμό του μικροσκοπίου (οπτική εστίαση, καθαρισμός φακών, και ούτω καθεξής), αναδείχθηκε μια σειρά απτικών τεχνικών που η δεξιοτεχνία των έμπειρων ερευνητών καθιστούσε αόρατες. Στο τέταρτο κεφάλαιο περιγράφω τη διαδικασία αυτοεκπαίδευσής μου στη γλώσσα προγραμματισμού Matlab. Σημαντικό, μέρος του κεφαλαίου αφιερώνεται στην εκ μέρους μου προσπάθεια επίλυσης ασκήσεων στη γλώσσα προγραμματισμού Matlab. Ειδικότερα, περιγράφω τη βήμα-προς-βήμα διαδικασία επίλυσης, ως αρχάρια χειρίστρια της γλώσσας, δίνοντας έμφαση στα λάθη και στις παραλείψεις μου και φέρνοντας έτσι στην επιφάνεια εκείνες τις τεχνικές πρακτικές που ενώ είναι συγκροτητικές για τη συγγραφή του κώδικα, εντούτοις οι έμπειροι προγραμματιστές τείνουν να μην τις αναφέρουν, εκλαμβάνοντάς τες ως δεδομένες· χαρακτηριστικό παράδειγμα αποτελεί η αντιγραφή και η επικόλληση (copy/paste), ο σχολιασμός, το τρέξιμο του κώδικα, η αναζήτηση στο διαδίκτυο. Το πέμπτο και τελευταίο κεφάλαιο της διατριβής αποτελεί παρουσίαση του προγραμματιστικού μέρους του project μικροσκοπίας. Το συγκεκριμένο project είχε ως τελικό στόχο την ψηφιακή απεικόνιση απομονωμένων πυρήνων σε καρκινικά κύτταρα εγκεφάλου με τη χρήση εκπαιδευτικού κώδικα. Η εμπλοκή μου με ένα τέτοιου τύπου εγχείρημα με σαφή στοχοθεσία υπήρξε μια συνειδητή επιλογή. Αυτό διότι σκοπός μου ήταν η περιγραφή της προσπάθειας αναγνώρισης κι επίτευξης των επαρκών τεχνικών πρακτικών για την υλοποίηση μιας συγκεκριμένης εργασίας. Στόχος μιας τέτοιας περιγραφής είναι το να παρουσιασθεί μια ερευνητική διαδικασία έτσι ώστε να κάνει κατανοητό -μέσα από τις ίδιες τις πρακτικές της λεπτομέρειες- το πώς οι ερευνητές επιτυγχάνουν τις επιμέρους πρακτικές υπό το πρίσμα της πειραματικής επάρκειας, κι όχι να παρουσιάσει μια απλή περιγραφή τεχνικής ορθότητας. Μέσα από αυτή την εμπλοκή διαμόρφωσα μια περιγραφή βασισμένη στην εν εξελίξει κατανόηση μου για το υπό μελέτη αντικείμενο. Το κύριο ζητούμενο ήταν να γίνει ρητή η υπό εξέταση πρακτική με τους ίδιους τους όρους των αναγνωριστικών (identifying) λεπτομερειών της, μελετώντας και τους ποικίλους τρόπους με τους οποίους επιτυγχάνεται η παρατήρησή της. Στη διάρκεια της πρακτικής μου, όταν, δηλαδή, έπραξα τις διεργασίες για την υλοποίηση της απομόνωσης των πυρήνων, και ειδικότερα στη διάρκεια της εισαγωγής των κατωφλίων, η οποία ήταν μια διαδικασία που επανέλαβα αρκετές φορές, έκανα μια περιγραφή των πρακτικών της τμηματοποίησης μέσα από την εξέλιξη της κατανόησης μου για αυτές. Μπόρεσα να αρθρώσω την απάντηση στο γιατί, στο πώς και στο πότε έκανα χρήση του χαμηλοπερατού φίλτρου και της απλής κατωφλίωσης με κατώφλι 13. Έτσι, στην παρούσα διατριβή έγινε εφικτή μια περιγραφή, η οποία ταυτόχρονα να επεξηγεί, αλλά και να αποτελεί μέρος της συγκρότησης της απομόνωσης των πυρήνων στην πράξη.