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结合全局信息增强的医学领域命名实体识别研究

要媛媛 付潇 杨东瑛 王洁宁 郑文

要媛媛, 付潇, 杨东瑛, 王洁宁, 郑文. 结合全局信息增强的医学领域命名实体识别研究[J]. 电子科技大学学报, 2024, 53(3): 431-439. doi: 10.12178/1001-0548.2023064
引用本文: 要媛媛, 付潇, 杨东瑛, 王洁宁, 郑文. 结合全局信息增强的医学领域命名实体识别研究[J]. 电子科技大学学报, 2024, 53(3): 431-439. doi: 10.12178/1001-0548.2023064
YAO Yuanyuan, FU Xiao, YANG Dongying, WANG Jiening, ZHENG Wen. Research on Named Entity Recognition in Medical Domain with Global Information Augmentation[J]. Journal of University of Electronic Science and Technology of China, 2024, 53(3): 431-439. doi: 10.12178/1001-0548.2023064
Citation: YAO Yuanyuan, FU Xiao, YANG Dongying, WANG Jiening, ZHENG Wen. Research on Named Entity Recognition in Medical Domain with Global Information Augmentation[J]. Journal of University of Electronic Science and Technology of China, 2024, 53(3): 431-439. doi: 10.12178/1001-0548.2023064

结合全局信息增强的医学领域命名实体识别研究

doi: 10.12178/1001-0548.2023064
基金项目: 国家自然科学基金(11702289);山西省关键核心技术和共性技术研发攻关专项(2020XXX013)
详细信息
    作者简介:

    要媛媛,主要从事医疗大数据方面的研究

    通讯作者: 通信作者E-mail:zhengwen@tyut.edu.cn
  • 中图分类号: TP391

Research on Named Entity Recognition in Medical Domain with Global Information Augmentation

  • 摘要: 中文医疗问诊文本中,由于口语化的不规则表达和专业术语的频繁出现,药物名称等实体难以被精准地识别出来。为了充分利用中文句子词间关系的重要作用,提出了一种用于增强全局信息的医学命名实体识别模型。模型利用注意力机制增强了词嵌入表征,并在使用双向长短时记忆网络的序列处理能力获取上下文信息的基础上,同时从两个方面丰富了句子的全局信息表示。其一是根据句法关系获取词语之间额外依赖关系构建了图卷积网络层用于丰富词间的依赖;其二是构建了辅助任务用于预测词间句法依赖关系的类别。在中文医疗问诊数据集上的实验结果表明,模型具有很好的竞争力,F1值达到94.54%。与其他模型相比,在药物和症状等实体类别的识别上取得了明显提高。在微博公开数据集上的实验也表明,模型具有通用领域的应用价值。
  • 图  1  Glo-MNER模型架构

    图  2  LSTM单元结构

    图  3  词依赖图(曲线箭头表示句子成分之间的依赖关系)

    图  4  依存句法分析示例

    表  1  实体对应句法关系的占比 %

    实体 VOB
    动宾
    ATT
    定中
    SBV
    主谓
    HED
    核心
    COO
    并列
    药物名称 43.22 11.43 9.80 5.47 10.13
    药物类别 56.00 19.96 10.26 1.76 5.23
    医疗操作 26.21 15.49 9.80 13.40 4.25
    症状 24.80 18.20 12.33 15.06 8.77
    医学检验 33.82 14.99 12.44 10.85 6.24
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    表  2  实验数据

    实体 训练集 验证集 测试集
    药物名称 5065 593 659
    药物类别 4318 522 599
    医疗操作 1530 164 179
    症状 26156 3121 3290
    医学检验 7854 963 1077
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    表  3  不同实体识别模型实验结果比较 %

    Model $ {P}$ $ {R} $ $ \mathrm{F}1 $ $ \mathrm{M}\mathrm{a}\mathrm{c}\mathrm{r}\mathrm{o}\mathrm{F}1 $
    Lattice-LSTM 90.84 90.34 90.59 90.28
    SoftLexicon(LSTM) 91.25 92.28 91.76 91.84
    BERT-CRF 91.60 93.01 92.30 91.92
    DCSAN 91.52 92.70 92.11 92.51
    Bi-LSTM-CRF 86.19 90.11 88.11 88.30
    Glo-MNER 94.67 93.95 94.31 94.54
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    表  4  依存句法分析树质量评估 %

    Method $ \mathrm{U}\mathrm{A}\mathrm{S} $ $ \mathrm{L}\mathrm{A}\mathrm{S} $
    DDParser 90.31 89.06
    GCN迭代50次 94.80 90.68
    GCN迭代100次 95.72 92.88
    GCN迭代500次 96.23 93.45
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    表  5  消融实验 %

    Model $ {P} $ $ {R} $ $ \mathrm{F}1$
    Glo-MNER 94.67 93.95 94.31
    -attention 91.44 93.62 92.51
    -GCN 92.72 90.15 91.42
    -parser 92.11 91.30 91.70
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    表  6  模型在每类实体上的表现(F1分数) %

    ModelDrugDrug_CategoryOperationSymptomMedical_Examination
    Bi-LSTM-CRF86.1488.5288.6687.7690.42
    Lattice-LSTM88.9690.3189.0190.7992.31
    BERT-CRF90.5891.5191.1092.4393.98
    SoftLexicon(LSTM)90.4091.7391.5891.7593.61
    DCSAN90.8791.8093.5191.8194.54
    Glo-MNER92.7294.5996.5994.9693.83
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    表  7  在微博数据集上的表现 %

    Model $ {P}$ $ {R} $ $ \mathrm{F}1$
    文献[26] 63.33 39.18 48.41
    文献[27] 61.68 48.82 54.50
    SoftLexicon(LSTM) - - 58.12
    FLAT[28] - - 63.42
    Glo-MNER 71.78 64.69 68.05
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出版历程
  • 收稿日期:  2023-03-06
  • 修回日期:  2023-10-31
  • 网络出版日期:  2024-05-30
  • 刊出日期:  2024-05-30

结合全局信息增强的医学领域命名实体识别研究

doi: 10.12178/1001-0548.2023064
    基金项目:  国家自然科学基金(11702289);山西省关键核心技术和共性技术研发攻关专项(2020XXX013)
    作者简介:

    要媛媛,主要从事医疗大数据方面的研究

    通讯作者: 通信作者E-mail:zhengwen@tyut.edu.cn
  • 中图分类号: TP391

摘要: 中文医疗问诊文本中,由于口语化的不规则表达和专业术语的频繁出现,药物名称等实体难以被精准地识别出来。为了充分利用中文句子词间关系的重要作用,提出了一种用于增强全局信息的医学命名实体识别模型。模型利用注意力机制增强了词嵌入表征,并在使用双向长短时记忆网络的序列处理能力获取上下文信息的基础上,同时从两个方面丰富了句子的全局信息表示。其一是根据句法关系获取词语之间额外依赖关系构建了图卷积网络层用于丰富词间的依赖;其二是构建了辅助任务用于预测词间句法依赖关系的类别。在中文医疗问诊数据集上的实验结果表明,模型具有很好的竞争力,F1值达到94.54%。与其他模型相比,在药物和症状等实体类别的识别上取得了明显提高。在微博公开数据集上的实验也表明,模型具有通用领域的应用价值。

English Abstract

要媛媛, 付潇, 杨东瑛, 王洁宁, 郑文. 结合全局信息增强的医学领域命名实体识别研究[J]. 电子科技大学学报, 2024, 53(3): 431-439. doi: 10.12178/1001-0548.2023064
引用本文: 要媛媛, 付潇, 杨东瑛, 王洁宁, 郑文. 结合全局信息增强的医学领域命名实体识别研究[J]. 电子科技大学学报, 2024, 53(3): 431-439. doi: 10.12178/1001-0548.2023064
YAO Yuanyuan, FU Xiao, YANG Dongying, WANG Jiening, ZHENG Wen. Research on Named Entity Recognition in Medical Domain with Global Information Augmentation[J]. Journal of University of Electronic Science and Technology of China, 2024, 53(3): 431-439. doi: 10.12178/1001-0548.2023064
Citation: YAO Yuanyuan, FU Xiao, YANG Dongying, WANG Jiening, ZHENG Wen. Research on Named Entity Recognition in Medical Domain with Global Information Augmentation[J]. Journal of University of Electronic Science and Technology of China, 2024, 53(3): 431-439. doi: 10.12178/1001-0548.2023064
  • “互联网+医疗”平台发展模式的快速推进,使医患交流拥有了更便捷、通畅的途径,患者通过网站或手机移动端享受异地在线问诊服务,从医学专家那里获取问诊解答。在线问诊需求增长迅速,但参与线上答疑的医生等人力投入有限,问诊回复容易出现不及时的情况。由此加速了在线自动医疗问诊的发展,用人机对话辅助问诊过程,进一步提高在线诊疗的效率。

    构建自动医疗问诊系统,需要从对话文本中抽取结构化文本信息用于构建知识库,因此医学领域中使用自然语言处理(Natural Language Processing, NLP)来进行实体识别和文本分类等任务。命名实体识别是医学文本挖掘的重要步骤之一,应用于医疗问诊中,旨在从患者的在线咨询文本中自动识别具有医学分析价值的实体,如药物、手术、疾病等,从而利用它们在医学知识库中搜索答案。

    近年来,深度学习被广泛应用于图像分割、目标检测等任务中[1],在医学领域中的应用和研究也取得了新的突破[2-4]。然而,在识别医学命名实体上仍然存在许多挑战。首先,在医疗问诊中,包含了很多简洁的对话,模型能够获取的信息有限,使得短句中的症状实体很难被识别。其次,受一些口语化表述的影响,医学词汇的多义现象会增加识别的困难,如“退烧”在不同的句子中所代指的信息是不同的,当与“吃”关联的时候,它指的是药品类别实体。此外,一些药品和疾病实体的名称是偏长的,同时名称中一般含有专业、偏僻的表述字,如“小儿氨酚黄那敏颗粒”,通过理解“颗粒”而将其判定为药品的可能性会更大。因此,增加词间的关联信息对判断实体类别有帮助。

    可见,在命名实体识别任务中,由于实体在句中是相对稀疏的词级单元,以词为基础的信息增强具有重要意义,词间丰富的信息对于句意的理解和实体的挖掘都是十分重要的。为了增强在中文语境下医疗问诊文本实体的预测效果,本文提出了一种通过双向长短时记忆网络(Bi-directional Long Short-Term Memory, Bi-LSTM)结合图卷积网络(Graph Convolutional Network, GCN)实现全局信息增强的医学领域命名实体识别模型(Global Information Augmented Medical Named Entity Recognition, Glo-MNER)。此外,模型中构建辅助任务用于预测句法间的关系类别:一方面,考虑到中文里部分药品等实体的生僻性,对于词的字级表征,使用注意力机制[4]获取更值得关注的部分;对于文本序列表征,使用Bi-LSTM提取句子特征[5],提高模型记忆长序列的能力。另一方面,依据中文句法中词语的有向修饰或依赖关系,利用GCN[6]提取显式的词间关联,同时将预测词间关系的类别作为额外的训练任务用来进一步丰富句子的全局信息。

    • 命名实体识别(Named Entity Recognition, NER)是NLP中常见任务之一,也是构建结构化文本数据的重要方法之一。传统的基于规则和词典的实体识别方法依赖于人工制定的语义和结合词典的语法、句法规则。文献[7]通过制定正则表达式构建FASTUS名称识别系统,将识别任务分为识别短语、识别模式、融合事件3个部分。文献[8] 针对语音输入提出了使用Brill规则的NER系统,表明自动规则推理可以作为基于隐马尔可夫模型的NE方法的可行替代方案。基于机器学习的NER方法,使实体抽取任务转化为分类问题。因此一些有监督的分类方法被用于处理NER任务,文献[9]使用决策树算法,利用不同的特征子集来训练多个独立的分类器,实现了多语言NER系统;在预测实体标签时,语言的序列特征和相邻词语的标签位置关系也是值得关注的,文献[10]将隐马尔可夫模型应用到NER任务,用于识别姓名、日期等常见实体;文献[11]通过特征归纳的方法来提高准确性并减少特征数量,并基于条件随机场(Conditional Random Field, CRF)来关注前后标签的顺序问题。但是,由于特殊领域的文本和词典的独特性,多数基于人工规则和机器学习的实体识别方法难以跨领域使用。

      随着深度学习在NLP方向上不断取得突破,许多研究提出了基于神经网络的NER方法。最早由文献[12]提出通过单向LSTM解决命名实体识别问题的神经网络。之后在NER任务中,由于文本的语言连贯特性,一些研究致力于丰富端到端的序列表示。文献[13]利用Bi-LSTM、卷积神经网络(Convolutional Neural Network, CNN)和CRF的组合构建神经网络来丰富模型的特征表示能力,同时使用了词的字符级向量表示来进行序列表征。在中文领域,考虑到汉语的分词问题,文献[14]提出了一种格结构的LSTM模型,使这种独立于分词的方式提供了显式的词序列信息且避免了分词造成的错误传播;在这一基础上,文献[15]将词典信息整合到字符表示中,验证了该方法与其他序列架构结合可以快速应用于NER任务;文献[16]进一步将字符和单词序列视为两种不同的模态,考虑了单词和字符格结构上的密集交互,通过设计跨格的注意力模块捕获不同模态细粒度相关性。除此之外,将句子结构或上下文的依赖信息应用于NER任务也是可行的,文献[17]证实了句子的语法结构对NER具有积极的影响。

      医学领域的NER主要是为了抽取疾病、医疗操作等关键实体,为构建结构化的医疗知识库提供核心要素,同时为智能辅助诊疗分析等智能化场景应用提供基础支撑。为了实现自动挖掘医学领域关键实体,早期的研究主要通过对规则的统一定义以及应用机器学习算法来完成。文献[18]通过句法和词汇模式用于无监督医学命名实体识别。文献[19]制定规则用于处理时间表达式的识别和归一化,通过规则与机器学习相结合,用于临床文本的信息提取。循环神经网络的出现使得深度学习在医学文本处理上得到了更广泛的应用。在嵌入增强方面,文献[20]使用LSTM和CNN构建组合的字符级表征,来增强医学文本词的表示。在文本表征方面,Bi-LSTM结构在处理医学信息依然能起到重要作用[21]。近年来基于Transformer的双向编码器表示(Bidirectional Encoder Representations from Transformers, BERT)被广泛应用在各个领域,被证明具有有效分类中文领域医学类文本的能力[22]。除了文本序列学习方面的研究工作外,通过汉字词典和字形增强中文领域的医学命名实体识别也能获得很好的模型表现[23]。针对数据集特点设置特征词用于注释也能够提高医学领域的NER效果[24]。本文为了解决医学领域文本中的一些实体抽取困难的问题,通过增加句法结构信息以及进一步丰富词的字符级向量表示来提升模型在中文医学领域的命名实体识别效果。

    • 本文构建的医学领域命名实体识别模型结构如图1所示,模型的架构描述如下。

      图  1  Glo-MNER模型架构

      1)词向量表征增加了引入注意力机制的字符级特征;2)句子序列特征通过Bi-LSTM学习;3)使用图网络表示词语间的句法联系,并额外增加词间关系类别的辅助学习任务;4)通过CRF层输出最终标签。

    • 由于问诊的文本涉及口语化和非正式的语言环境,而部分实体名称又具有专业性特点,词的重要性要更突出,因此,有必要进一步丰富词的信息。本文在词级向量的基础上,增加了基于注意力机制的字符级向量来丰富词语的含义表示。

      基于注意力机制的字符向量表示,使得最终的词表示包含内部的注意力特征,借此缓解模型中由分词导致的错误传播影响。注意力机制可以关注一个词内字的注意力焦点,尤其是对于名称较长的实体,一些专业化表述是更值得关注的部分。因此输入层向量是按照词向量、字符向量进行拼接得到。

      给定一个输入$ \boldsymbol{X}=({{x}}_{1},{{x}}_{2},\cdots ,{{x}}_{n})\in {\mathbb{R}}^{n \times d} $,初始化权重矩阵$ {\boldsymbol{W}}_{\boldsymbol{K}} $$ {\boldsymbol{W}}_{\boldsymbol{V}} $,同时使用$ \boldsymbol{Q}\in {\mathbb{R}}^{1 \times d} $软选择包含重要特征的相关信息,注意力信息的计算为:

      $$ \boldsymbol{K}=\boldsymbol{X}{\boldsymbol{W}}_{\boldsymbol{K}},\;\boldsymbol{V}=\boldsymbol{X}{\boldsymbol{W}}_{\boldsymbol{V}} $$ (1)
      $$ \mathrm{A}\mathrm{t}\mathrm{t}\mathrm{e}\mathrm{n}\mathrm{t}\mathrm{i}\mathrm{o}\mathrm{n}\left(\boldsymbol{Q},\boldsymbol{K},\boldsymbol{V}\right)=\mathrm{s}\mathrm{o}\mathrm{f}\mathrm{t}\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}\left(\frac{\boldsymbol{Q}\boldsymbol{K}^{\mathrm{T}}}{\sqrt{d}}\right)\boldsymbol{V} $$ (2)

      式中,$ {\boldsymbol{W}}_{\boldsymbol{K}}、{\boldsymbol{W}}_{\boldsymbol{V}} $是可学习参数。最终的词向量表示为$ {\boldsymbol{x}}_{i}=\left[{\boldsymbol{x}}_{i}^{{\mathrm{word}}};{\boldsymbol{x}}_{i}^{{\mathrm{attention}}}\right] $

    • 循环神经网络(Recurrent Neural Network, RNN)是在传统前馈神经网络基础上,针对获取序列前后相关性而做出的改进,具有处理可变长度序列的能力。RNN模型运用了门控的机制来存储输入向量,并充分利用了序列特性,该RNN记忆信息称为隐藏状态,它使RNN能够预测输入数据序列中的下一个输入是什么,RNN通过连接隐含层之间的节点,可以动态地学习序列特征。给定输入序列$ \left({{x}}_{1},{{x}}_{2},\cdots ,{{x}}_{n}\right) $,在$ t $时刻,RNN更新记忆信息$ {h}_{t} $为:

      $$ {h}_{t}={f}\left({\boldsymbol{W}}_{x}{x}_{t}+{\boldsymbol{W}}_{h}{h}_{t-1}+{b}_{t}\right) $$ (3)

      式中,$ {f} $为非线性激活函数;$ {\boldsymbol{W}}_{x} $$ {\boldsymbol{W}}_{h} $为模型权重矩阵;$ {b}_{t} $为偏差。

      传统的循环神经网络模型可以传递词之间的语义信息,但无法捕捉长距离的语义连接。而长短期记忆(Long Short-Term Memory, LSTM)扩展了RNN的记忆信息,通过引入门控机制和记忆单元克服了梯度消失的问题,这种扩展具有获取长时间记忆信息的能力。如图2所示,LSTM模型单元由3个门组成:遗忘门、输入门和输出门。遗忘门决定保留或删除现有的信息,输入门指定新信息添加到内存的程度,输出门控制单元中的现有值是否有助于输出。

      基于$ {h}_{t-1} $$ {x}_{t} $的值,遗忘门通常用sigmoid函数决定需要从LSTM存储器中删除多少信息。遗忘门的输出$ {f}_{t} $是一个介于0~1之间的值,其中0表示完全摆脱已学习的信息,1表示保留全部。该输出的计算如下:

      $$ {f}_{t}=\mathrm{\sigma }\left({\boldsymbol{W}}_{{\mathrm{fh}}}{h}_{t-1}+{\boldsymbol{W}}_{{\mathrm{fx}}}{x}_{t}+{b}_{f}\right) $$ (4)

      图  2  LSTM单元结构

      输入门决定是否将新的学习信息添加到LSTM的存储器中,它由sigmoid层和tanh层组成。其中$ {i}_{t} $决定哪些信息需要更新,计算方式如式(5),$ {\tilde {{\boldsymbol{c}}}}_{t} $则表示被添加到LSTM存储器中的候选值向量,如式(6)所示。

      $$ {i}_{t}=\mathrm{\sigma }\left({\boldsymbol{W}}_{{\mathrm{ih}}}{h}_{t-1}+{\boldsymbol{W}}_{{\mathrm{ix}}}{x}_{t}+{b}_{i}\right) $$ (5)
      $$ {\tilde {{\boldsymbol{c}}}}_{t}=\mathrm{t}\mathrm{a}\mathrm{n}\mathrm{h}\left({\boldsymbol{W}}_{\tilde {{\mathrm{c}}}{\mathrm{h}}}{h}_{t-1}+{\boldsymbol{W}}_{\tilde {{\mathrm{c}}}{\mathrm{x}}}{x}_{t}+{b}_{\tilde {c}}\right) $$ (6)

      当前的记忆单元$ {c}_{t} $由遗忘门$ {f}_{t} $对旧的记忆信息$ {c}_{t-1} $选择性删除后,增加新的候选信息,即输入门提供的候选向量,计算过程为:

      $$ {c}_{t}={f}_{t}\cdot {c}_{t-1}+{i}_{t}\cdot {\tilde {{\boldsymbol{c}}}}_{t} $$ (7)

      LSTM网络的输出门$ {o}_{t} $使用sigmoid层来决定LSTM存储器中的哪一部分对输出是有贡献的,计算方式见式(8)。$ {h}_{t} $是最终的记忆信息,使用tanh函数实现对记忆单元$ {c}_{t} $从−1~+1的映射,如式(9)所示:

      $$ o_t=\mathrm{\sigma}\left(\boldsymbol{W}_{\mathrm{oh}}h_{t-1}+\boldsymbol{W}_{\mathrm{ox}}x_t+b\mathrm{_o}\right) $$ (8)
      $$ {h}_{t}={o}_{t} \mathrm{t}\mathrm{a}\mathrm{n}\mathrm{h}\left({c}_{t}\right) $$ (9)

      考虑到中文文本数据中,词的含义不只局限于单向的依赖传递,因此,本文使用Bi-LSTM学习每一时刻的上下文信息。Bi-LSTM具有双向的LSTM单元,它平等对待所有输入词,捕获每一个词的上下文表征。本文将拼接的多维词向量序列作为输入,Bi-LSTM的输出即为整句话的向量表示。

      然而,Bi-LSTM的序列处理特性决定,虽然它能够表达长距离依赖,但它对位置上相联系的词更敏感,即它表达局部上下文信息的能力更强,这样会忽略一些远距离而在语义上相关联的词信息表达。

    • 在中文句子中,语法关系有助于理解句子的成分和语义,依存句法分析旨在找出句子的核心语义,它显式地描述了词之间的依赖关系。如图3所示,将“引起”作为核心词,加强了“感冒”(症状)和“气管炎”(症状)等的联系,此外,“抗感冒”(药物类别)和“药物”的联系也是值得关注的。因此,本文使用词语间有向的依赖关系[25]构建图卷积网络。

      图  3  词依赖图(曲线箭头表示句子成分之间的依赖关系)

      树是一种特殊的图,而依存分析树实际是一个完全图的子图。本文使用DDParser(Baidu Dependency Parser)作为依存分析树初始化工具,DDParser产出的依存关系如图4所示。图中箭头表示一条依存关系三元组的连接,POS表示词性,Relation表示关系,To表示关系方向,句子中所有的关系三元组共同构成了依存句法分析树。然后用图结构表示依存分析树:$ \boldsymbol{G}=\left(\boldsymbol{V},\boldsymbol{E}\right) $,其中,$ \boldsymbol{V} $表示句子中的节点集合,由上一步产出的词向量表示,$ \boldsymbol{E} $表示边集合,由依存分析树各个词语的关系表示,利用依存句法分析树中各个词语之间的概率值对图中边进行初始化。最终句子的依存分析树$ \boldsymbol{G} $被表示为$ {n}\times {n} $的邻接矩阵$ \boldsymbol{K} $,其中$ {\boldsymbol{A}}_{ij} $表示节点$ {i} $通过$ \boldsymbol{G} $中的单个依存路径连接到节点$ {j} $

      图  4  依存句法分析示例

      图卷积网络在图结构上对相邻节点特征进行卷积,每一个图卷积层通过邻居节点的属性映射来导入新的节点嵌入。用来表达文本类句法关系时,节点表示词的特征,边代表词之间的句法关系,本文使用每个节点的传出边构建有向的图结构。

      单层GCN只能捕获节点$ {i} $的一跳邻居节点信息,通过$ {k} $层GCN可以捕获节点$ {i} $$ {k} $跳邻居节点信息。GCN模型正向传播时通过捕获到的词语之间句法依存关系,找出与核心词相关的依存关系构成句法关系三元组,进一步提升实体识别准确率,同时模型训练过程中通过反向传播不断更新邻接矩阵$ \boldsymbol{K} $的权重值,纠正DDParser的初始化权重修正依存分析树中节点之间的关系概率值,形成正向闭环。

      $$ {\boldsymbol{h}}_{v}^{k+1}=\mathrm{R}\mathrm{e}\mathrm{L}\mathrm{U}\left(\sum _{u\in {\boldsymbol{N}}(v)} \left({{\boldsymbol{W}}}^{k}{{\boldsymbol{h}}}_{u}^{k}+{\boldsymbol{b}}^{k}\right)\right) $$ (10)

      式中,$ \boldsymbol{W} $是由节点和边构成的权重矩阵;$ {{\boldsymbol{h}}}_{u}^{k} $表示第$ k $层节点$ u $的嵌入向量;$ {\boldsymbol{N}}(v) $表示节点v所有最近邻居节点的集合(包括$ v $本身);$ {\boldsymbol{b}}^{k} $是偏差项。

    • 虽然使用GCN在一定程度弥补了模型在全局信息捕获上的不足,但远距离的词间依赖信息依然是较少的。同时,一些句法关系类别对语义关系的理解有进一步的补充作用,如图3中,“抗感冒”和“药物”的定中关系(Attribute, ATT)是常见的。

      因此,使用LSTM将预测实体间依赖关系的类别作为二分类的辅助任务,将其隐藏特征与GCN层的输出结果相加,计算公式如下:

      $$ {{\boldsymbol{H}}}_{p}={\mathrm{L}\mathrm{S}\mathrm{T}\mathrm{M}}_{p}\left({x}_{i}\right) $$ (11)
      $$ {\boldsymbol{H}}={\boldsymbol{W}}_{p}\sum _{p}^{n}{\boldsymbol{H}}_{p}+{\boldsymbol{W}}_{{\mathrm{GCN}}}{\boldsymbol{H}}_{{\mathrm{GCN}}} $$ (12)

      式中,$ {\boldsymbol{H}} $作为最终CRF层的输入;$ {\boldsymbol{H}}_{p} $表示不同的句法关系类别;$ \boldsymbol{W} $是可学习权重矩阵。

      由于中文句法关系种类较多,为了降低模型复杂性,对实体的常见关系种类进行统计,并保留了5类,见表1

      表 1  实体对应句法关系的占比 %

      实体 VOB
      动宾
      ATT
      定中
      SBV
      主谓
      HED
      核心
      COO
      并列
      药物名称 43.22 11.43 9.80 5.47 10.13
      药物类别 56.00 19.96 10.26 1.76 5.23
      医疗操作 26.21 15.49 9.80 13.40 4.25
      症状 24.80 18.20 12.33 15.06 8.77
      医学检验 33.82 14.99 12.44 10.85 6.24
    • 在序列标注方面,考虑到少量的分词错误和标注的连续特性(如B-Drug必须在实体的第一个标注位,它后面是I-Drug,不能是I-Operation),本文依然采用NER任务常用的解码方法CRF来提供额外的标签转移特征。

      对于序列$ \boldsymbol{H}=({{h}}_{1},{{h}}_{2},\cdots ,{{h}}_{n}) $,在经过编码后,需要计算得到每个词对应每个标签上的分数。通过计算节点的分数和节点之间的转移分数得到输出序列$ \boldsymbol{Y}=({{y}}_{1},{{y}}_{2},\cdots ,{{y}}_{n}) $的分数为:

      $$ \mathrm{s}\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{r}\mathrm{e}\left(\boldsymbol{Y}\right)=\sum _{i=1}^{n}{q}_{i}+\sum _{i=2}^{n}\boldsymbol{A}\left[i-1,i\right] $$ (13)

      式中,$ {q}_{i} $表示每个词$ {h}_{i} $对应的标签得分的分布;转移矩阵$ \boldsymbol{A} $$ \boldsymbol{A}[i-1,i] $表示标签序列$ {{y}}_{i-1} $$ {{y}}_{i} $的转移分数。之后将序列$ \boldsymbol{Y} $的分数进行归一化,得到标注结果的概率为:

      $$ p\left(\boldsymbol{Y}|\boldsymbol{H}\right)=\frac{q^{\mathrm{score}\left(\boldsymbol{Y}\right)}}{\displaystyle\sum\limits_{ }^{ }q^{\mathrm{score}\left(\tilde{\boldsymbol{Y}}\right)}} $$ (14)

      式中,$ {{q}}^{{\mathrm{score}}\left(\tilde {\boldsymbol{Y}}\right)} $表示所有可能序列对应的分数的指数。

    • 本文使用来自中国计算语言学大会(CCL 2021)举办的第一届智能对话诊疗评测比赛(https://tianchi.aliyun.com/dataset/dataDetail?dataId=95414)的公开文本数据,共计97522条,按照8:1:1的比例划分训练集、验证集和测试集。本实验采用了命名实体识别标注模式中的BIO标注模式,O表示非医学实体词, B、I分别表示医学实体的首部、非首部。数据中的实体类别和数量统计见表2

      表 2  实验数据

      实体 训练集 验证集 测试集
      药物名称 5065 593 659
      药物类别 4318 522 599
      医疗操作 1530 164 179
      症状 26156 3121 3290
      医学检验 7854 963 1077
    • 本文的硬件环境为Xeon(R) Silver 4114 @ 2.20 GHz,操作系统使用CentOS release 7.6.1810(64位),开发环境为python3.6。

      在词特征提取过程中,使用了2层的Bi-LSTM和2层的GCN,利用LSTM预测关系类别的辅助任务隐层数设置为1。

      对于训练参数,训练进行了50个epoch,batch size大小设置为10。在训练过程中,使用学习率为5.0×10−4的Adam优化器进行参数优化,学习率的衰减率为0.05,为了避免过拟合现象,采用L2正则化,lambda参数设置为1.0×10−8

      本文使用NER主要评价指标:精确率($ {P} $)、召回率($ {R} $)、综合指标($ {{\mathrm{F}}}1 $)评估模型性能:

      $$ {P}=\frac{\mathrm{T}\mathrm{P}}{\mathrm{T}\mathrm{P}+\mathrm{F}\mathrm{P}} $$ (15)
      $$ {R}=\frac{\mathrm{T}\mathrm{P}}{\mathrm{T}\mathrm{P}+\mathrm{F}\mathrm{N}} $$ (16)
      $$ \mathrm{F}1=\frac{2{P}{R}}{{P}+{R}} $$ (17)

      式中,$ \mathrm{T}\mathrm{P} $表示预测正确的5类医学实体;$ \mathrm{F}\mathrm{P} $表示将无关词预测为医学实体;$ \mathrm{F}\mathrm{N} $表示将医学实体预测为非该实体。

      此外,为了验证模型在不同实体上的突出表现,本文同时使用了宏平均F1($ \mathrm{M}\mathrm{a}\mathrm{c}\mathrm{r}\mathrm{o}\mathrm{F}1 $)来评估模型性能:

      $$ \text{Macro}\mathrm{F}1=\frac{1}{n}\sum _{i=1}^{n} {{F}}_{1}^{i} $$ (18)

      式中,$ {{F}}_{1}^{i} $表示第$ i $类实体的F1值。

      本文使用UAS和LAS评估依存分析树质量,UAS表示已正确分配的关系三原组中的词语所占的百分比;LAS表示已正确分配的三元组关系占三元组关系总数的百分比。评估公式如下:

      $$ {\mathrm{UAS}}=\frac{\mathrm{已}\mathrm{正}\mathrm{确}\mathrm{分}\mathrm{配}\mathrm{关}\mathrm{系}\mathrm{的}\mathrm{三}\mathrm{元}\mathrm{组}\mathrm{的}\mathrm{词}\mathrm{语}\mathrm{数}\mathrm{量}}{\mathrm{所}\mathrm{有}\mathrm{关}\mathrm{系}\mathrm{三}\mathrm{元}\mathrm{组}\mathrm{的}\mathrm{词}\mathrm{语}\mathrm{数}\mathrm{量}} $$ (19)
      $$ {\mathrm{LAS}}=\frac{\mathrm{已}\mathrm{正}\mathrm{确}\mathrm{分}\mathrm{配}\mathrm{关}\mathrm{系}\mathrm{的}\mathrm{三}\mathrm{元}\mathrm{组}\mathrm{的}\mathrm{数}\mathrm{量}}{\mathrm{所}\mathrm{有}\mathrm{关}\mathrm{系}\mathrm{三}\mathrm{元}\mathrm{组}\mathrm{数}\mathrm{量}} $$ (20)
    • 为了验证本文提出的模型在医疗问诊文本命名实体识别的效果,对比了本文提出的模型与近年来用于中文命名实体识别任务的神经网络模型。其中,BERT通过加载预训练模型配合微调的方法,在多项NLP任务中取得了出众表现,它的优势在于下游任务的微调时对训练数据集的需求量小,但构建预训练模型需要大量的文本数据,实验中使用由谷歌提供的BERT-base-Chinese预训练模型,并使用CRF进行解码标注;Lattice-LSTM[14]、SoftLexicon[15]和DCSAN[16]都是基于字典和深度学习的模型,可有效解决中文分词错误,但需要构建对应的词典,在后两个模型的对比实验中,均使用了双向字符级的向量嵌入。表3展示了各模型在医学领域数据中的结果。

      可以看出,总体上Glo-MNER在医疗问诊数据集上的表现相较其他模型有明显的提升,微平均$ \mathrm{F}1 $值达到了94.31%,而宏平均$ \mathrm{F}1 $值也表现出了明显优势,说明模型在各类实体上的识别效果是出色的。虽然没有构建专门的医学领域词典,但3种基于词典的方法在进行这类词级任务时表现良好。由于训练数据偏少,BERT-CRF模型取得了一定的优势,但对于识别难度相对大的实体类并没有起到关键作用,根据宏平均$ \mathrm{F}1 $值可以看出,DCSAN在某些实体上的识别效果突出,而本文模型的宏平均值处于稳定且较好的水平。

      表 3  不同实体识别模型实验结果比较 %

      Model $ {P}$ $ {R} $ $ \mathrm{F}1 $ $ \mathrm{M}\mathrm{a}\mathrm{c}\mathrm{r}\mathrm{o}\mathrm{F}1 $
      Lattice-LSTM 90.84 90.34 90.59 90.28
      SoftLexicon(LSTM) 91.25 92.28 91.76 91.84
      BERT-CRF 91.60 93.01 92.30 91.92
      DCSAN 91.52 92.70 92.11 92.51
      Bi-LSTM-CRF 86.19 90.11 88.11 88.30
      Glo-MNER 94.67 93.95 94.31 94.54
    • 通过人工对比DDParser初始化产出的依存关系三元组与训练了N次后产出的依存关系三元组,分别为:DDParser初始化依存树、模型迭代50次、100次和500次之后的依存句法分析树。发现模型训练能够有效纠正初始化过程中的部分错误标注以及概率预测不准确等问题。实验评估如表4所示。

      表 4  依存句法分析树质量评估 %

      Method $ \mathrm{U}\mathrm{A}\mathrm{S} $ $ \mathrm{L}\mathrm{A}\mathrm{S} $
      DDParser 90.31 89.06
      GCN迭代50次 94.80 90.68
      GCN迭代100次 95.72 92.88
      GCN迭代500次 96.23 93.45

      为了验证模型增加的GCN模型和辅助任务在医学NER任务上的作用,本文针对字符表征、GCN和辅助学习任务进行了消融实验,如表5所示。

      表 5  消融实验 %

      Model $ {P} $ $ {R} $ $ \mathrm{F}1$
      Glo-MNER 94.67 93.95 94.31
      -attention 91.44 93.62 92.51
      -GCN 92.72 90.15 91.42
      -parser 92.11 91.30 91.70

      当不附加额外的字符级嵌入进行训练时,$ \mathrm{F}1 $值降低了1.8%,模型的精确率下降较明显,表明在减少嵌入表征信息后,模型的查准率下降较多。同样,在去掉图卷积网络层关于句法结构的信息特征以及句法依赖类别的辅助学习任务时,GCN和parser比Glo-MNER分别降低了2.89%和2.61%,表明句法结构对于全局信息的表征具有重要作用。由此说明,丰富的词嵌入表示和基于全局信息增强的图卷积网络,以及辅助任务在对模型精确率和医疗问诊实体识别任务上都起到了明显的提升作用,本文提出的Glo-MNER模型效果可以达到最大化。

    • 为了探究模型宏平均F1的提升因素,分析了模型对每一类实体的识别效果。表6展示了各个模型在五类实体中的F1表现。

      对于药物(Drug)和药物类别(Drug_Category)实体,在其他模型差别不大的情况下,Glo-MNER取得了明显的提升,说明一些药物和药物类别在句子中,需要进一步的全局特征提取来获取,无论是词典方法还是多头注意力机制,对于部分实体的学习是困难的。

      表 6  模型在每类实体上的表现(F1分数) %

      ModelDrugDrug_CategoryOperationSymptomMedical_Examination
      Bi-LSTM-CRF86.1488.5288.6687.7690.42
      Lattice-LSTM88.9690.3189.0190.7992.31
      BERT-CRF90.5891.5191.1092.4393.98
      SoftLexicon(LSTM)90.4091.7391.5891.7593.61
      DCSAN90.8791.8093.5191.8194.54
      Glo-MNER92.7294.5996.5994.9693.83

      由于医疗操作(Operation)和症状(Symptom)在句子中作为句法关系的核心词(Harley Ellis Devereaux, HED)的频率都很高,且大多数句子为短句,这种情况下通过上下文获取到的信息非常少,因此句法关系辅助任务可以起到很好的作用,模型在这两类实体的提升效果都十分明显。此外,症状在文本中并列出现是较常见的,因此并列结构(Chief Operating Officer, COO)也能对预测起到积极的作用。对于医学检验(Medical_Examination),由于实体多为动词,且比较常规化(如“检查”“化验”),各类方法的效果都相对较好且不具备明显差异。针对不同类别实体的实验结果表明,本文方法在识别专业性语义特征明显、在文本句法关系上有特点显著且对较难识别的实体时具有突出的优势。

    • 为了进一步验证本文模型在命名实体识别任务上的效果,在公开数据集Weibo NER(https://github.com/hltcoe/golden-horse)上做了对比实验,它来自社交媒体网站新浪微博中的文本数据,同样具有口语化和简写等中文表达特点。从表7中可以看到,本文模型的表现与它在医疗领域数据集中的观察结果是相似的,表明本文模型在不同领域也具有很好的竞争力。

      表 7  在微博数据集上的表现 %

      Model $ {P}$ $ {R} $ $ \mathrm{F}1$
      文献[26] 63.33 39.18 48.41
      文献[27] 61.68 48.82 54.50
      SoftLexicon(LSTM) - - 58.12
      FLAT[28] - - 63.42
      Glo-MNER 71.78 64.69 68.05
    • 本文针对医疗问诊文本中一些实体的识别难点,通过增强全局信息表征来提高模型的识别效果。首先,使用额外的字符向量特征抽取和图卷积网络层来进一步丰富词的表征,其次,增加了基于句法关系类别预测的辅助学习任务,并证明了增强全局信息表征对于命名实体识别任务是有帮助的。在医学领域数据集上的实验表明,丰富的单词表征和全局信息表征改进了句意理解和实体预测。特别地,对于药物类别等实体,本文模型较对比模型获得了明显的提升。并且,在公开数据集上的实验结果证明此模型在通用领域的命名实体识别任务上同样是有优势的。

      在真实的医学文本中,存在许多噪声和错误,同时面临着实时性和跨领域跨语言适应性的限制,因此模型的泛化效果有待进一步研究。此外,本文在词内信息的表示上采用了简单的拼接操作,没有考虑类似DCSAN模型中的各个特征表示之间的交互表示。在今后的工作中,将进一步考虑利用多模态交互增强词的多维度特征融合。

参考文献 (28)

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