融入領(lǐng)域信息的醫(yī)療領(lǐng)域命名實(shí)體識(shí)別研究

陳繼剛

西安交通大學(xué)第二附屬醫(yī)院信息網(wǎng)絡(luò)部 陜西 西安 710004

引言

電子病歷廣泛應(yīng)用于各大醫(yī)療機(jī)構(gòu)的臨床工作，其中包含大量的醫(yī)療領(lǐng)域非結(jié)構(gòu)化文本，是現(xiàn)代醫(yī)學(xué)研究的重要數(shù)據(jù)來(lái)源。如何分析、挖掘、理解和有效利用這些文本，在指導(dǎo)醫(yī)療行業(yè)科研，提供臨床決策支持和提供個(gè)性化醫(yī)療服務(wù)等方面具有重要意義。

1 相關(guān)工作

文本的分析挖掘工作一般通過(guò)自然語(yǔ)言處理（Natural Language Processing，NLP）完成，命名實(shí)體識(shí)別（Named Entity Recognition，NER）作為NLP領(lǐng)域的重要基礎(chǔ)任務(wù)，為上層任務(wù)（如信息抽取、信息檢索等）提供豐富的語(yǔ)義知識(shí)。

命名實(shí)體的概念于MUC-6會(huì)議上首次提出，早期NER研究主要有基于規(guī)則和詞典和基于統(tǒng)計(jì)機(jī)器學(xué)習(xí)兩種方法。近年來(lái)，基于深度學(xué)習(xí)的方法被廣泛應(yīng)用于NER任務(wù)。來(lái)自百度的Huang等[1]提出了BiLSTM（Bidirectional Long Short-Term Memory）-CRF（Conditional Random Field）模型并應(yīng)用于序列標(biāo)注任務(wù)，成為NER任務(wù)的泛用基礎(chǔ)方法之一。研究者們同時(shí)發(fā)現(xiàn)，使用預(yù)訓(xùn)練語(yǔ)言模型生成詞向量作為下層網(wǎng)絡(luò)的輸入，可以大幅提高NER任務(wù)的效果。Google的Devlin J等[2]提出了預(yù)訓(xùn)練模型BERT（Bidirectional Encoder Representation from Transformers），使用多層雙向Transformer網(wǎng)絡(luò)同時(shí)捕捉上下文信息，在多達(dá)11項(xiàng)自然語(yǔ)言處理任務(wù)中取得了最優(yōu)表現(xiàn)，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于NER任務(wù)中。兩者結(jié)合的BERT-BiLSTM-CRF模型，是NER目前最常用的模型。

實(shí)際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，通用文本訓(xùn)練的BERT字向量（以下簡(jiǎn)稱(chēng)BERT字向量），無(wú)法很好適應(yīng)醫(yī)療領(lǐng)域的下游任務(wù)。如何讓BERT字向量適配醫(yī)療領(lǐng)域任務(wù)，是本次研究的關(guān)注點(diǎn)。

2 方法

2.1 領(lǐng)域信息融入字向量

針對(duì)傳統(tǒng)模型在醫(yī)療領(lǐng)域適配性不佳的現(xiàn)狀，本文提出利用領(lǐng)域信息調(diào)整BERT字向量的方法，最終輸入模型中的字向量同時(shí)包含BERT字向量中的語(yǔ)義信息和醫(yī)療領(lǐng)域文本的上下文關(guān)系。受Huang等的啟發(fā)，本文主要考慮了以下三種方法結(jié)合BERT字向量與醫(yī)療領(lǐng)域預(yù)訓(xùn)練模型字向量（以下簡(jiǎn)稱(chēng)領(lǐng)域字向量），得到結(jié)合后的字向量

領(lǐng)域字向量表示為如式（2）的形式：

2.1.1 加權(quán)求和。將BERT字向量與領(lǐng)域字向量按位進(jìn)行加權(quán)求和得到，見(jiàn)式（3）：

2.1.2 擴(kuò)展維度。將領(lǐng)域字向量補(bǔ)在BERT字向量后面得到，如式（4）所示：

2.1.3 注意力機(jī)制。通過(guò)注意力機(jī)制融合BERT字向量與領(lǐng)域字向量可分為三步：

首先輸入信息，即BERT字向量 與領(lǐng)域字向量 。

其次計(jì)算注意力分布，見(jiàn)式（5）：

注：表示sigmoid函數(shù)；tanh表示雙曲正切函數(shù)；W為訓(xùn)練得到的矩陣。

最后計(jì)算融合后的字向量，利用前一步求得的注意力分布，得到融合后的字向量 ，見(jiàn)式（6）：

得到 后繼續(xù)使用標(biāo)注數(shù)據(jù)對(duì)其進(jìn)行微調(diào)，具體表現(xiàn)為在結(jié)合后的網(wǎng)絡(luò)上加一層全連接層，用標(biāo)注數(shù)據(jù)調(diào)整全連接層的參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)字向量進(jìn)行微調(diào)的效果。經(jīng)過(guò)全連接層的微調(diào)之后，得到最終字向量 ，見(jiàn)式（7）。

注：tanh為全連接層的激活函數(shù)；W，b為訓(xùn)練得到的參數(shù)。

將微調(diào)之后的最終字向量 輸入到下層BiLSTM-CRF網(wǎng)絡(luò)，得到融入領(lǐng)域信息的醫(yī)療領(lǐng)域NER模型。

2.1.4 訓(xùn)練方法。使用融入領(lǐng)域信息的醫(yī)療領(lǐng)域NER模型訓(xùn)練相關(guān)數(shù)據(jù)集的具體過(guò)程如下：①使用從網(wǎng)絡(luò)渠道及“中國(guó)醫(yī)學(xué)影像資源共享平臺(tái)”獲取的病例數(shù)據(jù)，作為醫(yī)療領(lǐng)域的未標(biāo)注文本進(jìn)行無(wú)監(jiān)督訓(xùn)練，可得到醫(yī)療領(lǐng)域的字向量 ；②采用多種方式將BERT字向量 與領(lǐng)域字向量 結(jié)合在一起構(gòu)成新的字向量 ；③利用經(jīng)過(guò)標(biāo)注的公開(kāi)數(shù)據(jù)集和“中國(guó)醫(yī)學(xué)影像資源共享平臺(tái)”上部分經(jīng)過(guò)人工標(biāo)注的病例數(shù)據(jù)集對(duì)新的字向量進(jìn)行微調(diào)，在第2步生成字向量的網(wǎng)絡(luò)之后增加一層全連接層，通過(guò)對(duì)標(biāo)注數(shù)據(jù)的訓(xùn)練調(diào)整全連接層的參數(shù)；④遍歷數(shù)據(jù)集每一個(gè)句子，針對(duì)句子中的每一個(gè)字生成對(duì)應(yīng)的字向量，將生成的字向量輸入BiLSTM層中，通過(guò)BiLSTM層學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)的文本特征，并最終生成輸出向量；⑤將BiLSTM生成的輸出向量輸入CRF層，通過(guò)CRF的打分矩陣以及概率轉(zhuǎn)移矩陣得到每一種標(biāo)簽對(duì)應(yīng)的分?jǐn)?shù)，并定義損失函數(shù)，通過(guò)將損失函數(shù)最小化更新需要學(xué)習(xí)的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)；⑥在經(jīng)過(guò)多輪學(xué)習(xí)參數(shù)收斂之后，固定網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，輸出模型文件，供后續(xù)醫(yī)療領(lǐng)域NER系統(tǒng)使用。

3 實(shí)驗(yàn)

3.1 實(shí)驗(yàn)配置

實(shí)驗(yàn)環(huán)境的軟硬件配置如下：CPU為i7-8700，內(nèi)存16GB，顯卡為NVIDIA RTX 2080Ti/11GB，操作系統(tǒng)為Ubuntu18.04LTS，編程語(yǔ)言為Python3.6，深度學(xué)習(xí)框架為T(mén)ensorFlow1.12，CUDA版本10.0。

3.2 評(píng)價(jià)指標(biāo)

模型訓(xùn)練結(jié)束之后，在測(cè)試集上驗(yàn)證常用相關(guān)指標(biāo)：準(zhǔn)確率（Precision）、召回率（Recall）以及F1值，對(duì)比訓(xùn)練后的不同模型的效果。

3.2.1 準(zhǔn)確率P標(biāo)注正確的實(shí)體占標(biāo)注出的實(shí)體總數(shù)的百分比，見(jiàn)式（8）。

注：P代表準(zhǔn)確率；EM代表標(biāo)注正確的實(shí)體數(shù)量；AE代表標(biāo)注出的實(shí)體總數(shù)。

3.2.2 召回率R標(biāo)注正確的實(shí)體占測(cè)試集中實(shí)體總數(shù)的百分比，見(jiàn)式（9）。

注：R代表召回率；EM代表標(biāo)注正確的實(shí)體數(shù)量；AM代表測(cè)試集中的實(shí)體總數(shù)。

3.2.3 F1值為準(zhǔn)確率與精確率的調(diào)和平均，見(jiàn)式（10）。

比較不同模型在測(cè)試集上三種指標(biāo)的高低，可以評(píng)判各自的優(yōu)劣程度。

3.3 前置實(shí)驗(yàn)

在進(jìn)行醫(yī)療領(lǐng)域NER實(shí)驗(yàn)之前，首先需要用醫(yī)療領(lǐng)域的未標(biāo)注文本作為語(yǔ)料庫(kù)，訓(xùn)練領(lǐng)域字向量。

3.3.1 獲取語(yǔ)料庫(kù)。本次研究的醫(yī)療領(lǐng)域語(yǔ)料庫(kù)來(lái)源，見(jiàn)表1。

表1 語(yǔ)料庫(kù)統(tǒng)計(jì)表

3.3.2 預(yù)訓(xùn)練。訓(xùn)練使用Python的Gensim模塊下的Word2Vec函數(shù)，其模型結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，訓(xùn)練消耗的資源較少，適合本次訓(xùn)練醫(yī)療領(lǐng)域字向量。相關(guān)參數(shù)設(shè)置見(jiàn)表2。

表2 領(lǐng)域字向量訓(xùn)練參數(shù)

3.3.3 保存預(yù)訓(xùn)練模型。預(yù)訓(xùn)練完成之后，將預(yù)訓(xùn)練模型保存至文件系統(tǒng)，供后續(xù)NER實(shí)驗(yàn)使用。

3.4 實(shí)驗(yàn)參數(shù)

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的參數(shù)設(shè)置見(jiàn)表3，為緩解過(guò)擬合帶來(lái)的影響，在生成最終字向量的全連接層中加入了正則化方法Dropout[6]。在模型訓(xùn)練過(guò)程中，使用Adam優(yōu)化算法加速收斂速度，提高學(xué)習(xí)效果。

表3 融入領(lǐng)域信息的醫(yī)療領(lǐng)域命名實(shí)體識(shí)別模型實(shí)驗(yàn)參數(shù)

3.5 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)集

訓(xùn)練結(jié)果在公開(kāi)數(shù)據(jù)集Yidu-s4k數(shù)據(jù)集、CCKS2020-Task3數(shù)據(jù)集以及“醫(yī)學(xué)影像資源共享平臺(tái)”已標(biāo)注的病例數(shù)據(jù)上進(jìn)行了相關(guān)實(shí)驗(yàn)。

3.6 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為驗(yàn)證將領(lǐng)域信息融入字向量方法的合理性，將本文提出的模型稱(chēng)為Domain-BERT-BiLSTM-CRF模型，與CRF及BiLSTM-CRF等NER經(jīng)典模型進(jìn)行對(duì)比，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4。其中加權(quán)求和選擇效果最好的展示，CRF與BiLSTM-CRF均使用BERT作為生成字向量的預(yù)訓(xùn)練模型。

表4 不同模型在三種數(shù)據(jù)集上的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)表4中的結(jié)果，可以得出以下結(jié)論：

對(duì)比BiLSTM-CRF模型與原始CRF模型，可以看出利用BiLSTM提取訓(xùn)練數(shù)據(jù)中的上下文特征，有利于提高模型的特征提取能力，模型的效果更優(yōu)。

對(duì)比Domain-BERT-BiLSTM-CRF模型與BiLSTM-CRF模型，可以看出通過(guò)擴(kuò)展維度的方式結(jié)合BERT字向量與領(lǐng)域字向量，取得了比原始BERT字向量更好的效果。在CCKS2020-Task3數(shù)據(jù)集中，該方式的F1值比使用通用BERT的BiLSTMCRF模型的F1值提高了2%。

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中記錄了各模型F1值隨epoch的變化，以CCKS2020-Task3數(shù)據(jù)集為例，見(jiàn)圖2。將以擴(kuò)展維度的方式結(jié)合BERT字向量與領(lǐng)域字向量的模型命名為Domain-BERTBiLSTM-CRF-1，將以加權(quán)求和的方式結(jié)合BERT字向量與領(lǐng)域字向量的模型命名為Domain-BERT-BiLSTM-CRF-2，將以注意力機(jī)制的方式結(jié)合BERT字向量與領(lǐng)域字向量的模型命名為Domain-BERT-BiLSTM-CRF-3。

從圖1可以看出，融入領(lǐng)域信息的醫(yī)療領(lǐng)域命名實(shí)體模型的F1值趨于穩(wěn)定的時(shí)間比其他兩種傳統(tǒng)模型稍慢，但穩(wěn)定后的模型F1值更高。

圖1 CCKS2020-Task3數(shù)據(jù)集F1值的變化情況

4 結(jié)束語(yǔ)

醫(yī)療領(lǐng)域的文本標(biāo)注工作需要由受過(guò)專(zhuān)業(yè)培訓(xùn)的人員處理，鑒于醫(yī)療信息自身具有敏感性，各醫(yī)療機(jī)構(gòu)之間的原始數(shù)據(jù)又難以共享，最終導(dǎo)致標(biāo)注醫(yī)療數(shù)據(jù)的獲取成本高昂且難以實(shí)現(xiàn)。如何在有限條件下調(diào)整原始字向量，適應(yīng)醫(yī)療領(lǐng)域的NER任務(wù)是本次研究關(guān)注的改進(jìn)點(diǎn)。

針對(duì)通用BERT字向量無(wú)法很好適應(yīng)醫(yī)療領(lǐng)域任務(wù)的問(wèn)題，本文提出一種將領(lǐng)域信息融入字向量的新方法：①利用醫(yī)療領(lǐng)域內(nèi)大量未標(biāo)注數(shù)據(jù)預(yù)訓(xùn)練一個(gè)領(lǐng)域字向量；②通過(guò)擴(kuò)展維度等方式將BERT字向量與領(lǐng)域字向量相結(jié)合；③增設(shè)一個(gè)全連接層，利用標(biāo)注數(shù)據(jù)對(duì)結(jié)合后的字向量進(jìn)行微調(diào)，得到最終的字向量。為了驗(yàn)證新方法的有效性，本文使用Yidu-s4k、CCKS2020-Task3以及“醫(yī)學(xué)影像資源共享平臺(tái)”的已標(biāo)注病例數(shù)據(jù)作為語(yǔ)料庫(kù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，對(duì)比原始CRF模型，BiLSTM-CRF模型與三種Domain-BERT-BiLSTM-CRF模型的效果。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，相比CRF和BiLSTM-CRF，采用擴(kuò)展維度的方式結(jié)合BERT字向量與領(lǐng)域字向量效果最佳，有效提升了模型性能。這也驗(yàn)證了Zhang等[7]的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，即維度擴(kuò)展方式要優(yōu)于加算、乘算和注意力機(jī)制等方式的效果，猜測(cè)原因?yàn)榫S度擴(kuò)展得到的向量在反向傳播計(jì)算誤差時(shí)，能更好地差異化處理不相關(guān)的特征，獨(dú)立地反映語(yǔ)言模型對(duì)上下文結(jié)構(gòu)和上下文語(yǔ)義的表達(dá)與預(yù)期的差別。

擴(kuò)展維度方式的Domain-BERT-BiLSTM-CRF模型在一定程度上改善了原始BERT字向量對(duì)醫(yī)療領(lǐng)域NER任務(wù)適應(yīng)性不佳的情況，但該模型也存在一定局限性，其F1值趨于穩(wěn)定的時(shí)間稍慢，穩(wěn)定后的F1值更高。猜測(cè)原因是新模型在生成最終字向量時(shí)，需要比其他兩種傳統(tǒng)模型額外訓(xùn)練一個(gè)全連接網(wǎng)絡(luò)。