Analyzing transfer learning impact in biomedical cross lingual named entity recognition and normalization

Background The volume of biomedical literature and clinical data is growing at an exponential rate. Therefore, efficient access to data described in unstructured biomedical texts is a crucial task for the biomedical industry and research. Named Entity Recognition (NER) is the first step for information and knowledge acquisition when we deal with unstructured texts. Recent NER approaches use contextualized word representations as input for a downstream classification task. However, distributed word vectors (embeddings) are very limited in Spanish and even more for the biomedical domain. Methods In this work, we develop several biomedical Spanish word representations, and we introduce two Deep Learning approaches for pharmaceutical, chemical, and other biomedical entities recognition in Spanish clinical case texts and biomedical texts, one based on a Bi-STM-CRF model and the other on a BERT-based architecture. Results Several Spanish biomedical embeddigns together with the two deep learning models were evaluated on the PharmaCoNER and CORD-19 datasets. The PharmaCoNER dataset is composed of a set of Spanish clinical cases annotated with drugs, chemical compounds and pharmacological substances; our extended Bi-LSTM-CRF model obtains an F-score of 85.24% on entity identification and classification and the BERT model obtains an F-score of 88.80% . For the entity normalization task, the extended Bi-LSTM-CRF model achieves an F-score of 72.85% and the BERT model achieves 79.97%. The CORD-19 dataset consists of scholarly articles written in English annotated with biomedical concepts such as disorder, species, chemical or drugs, gene and protein, enzyme and anatomy. Bi-LSTM-CRF model and BERT model obtain an F-measure of 78.23% and 78.86% on entity identification and classification, respectively on the CORD-19 dataset. Conclusion These results prove that deep learning models with in-domain knowledge learned from large-scale datasets highly improve named entity recognition performance. Moreover, contextualized representations help to understand complexities and ambiguity inherent to biomedical texts. Embeddings based on word, concepts, senses, etc. other than those for English are required to improve NER tasks in other languages.This work was partially supported by the Research Program of the Ministry of Economy and Competitiveness - Government of Spain, (DeepEMR project TIN2017-87548-C2-1-R)

Data-efficient methods for information extraction

Strukturierte Wissensrepräsentationssysteme wie Wissensdatenbanken oder Wissensgraphen bieten Einblicke in Entitäten und Beziehungen zwischen diesen Entitäten in der realen Welt. Solche Wissensrepräsentationssysteme können in verschiedenen Anwendungen der natürlichen Sprachverarbeitung eingesetzt werden, z. B. bei der semantischen Suche, der Beantwortung von Fragen und der Textzusammenfassung. Es ist nicht praktikabel und ineffizient, diese Wissensrepräsentationssysteme manuell zu befüllen. In dieser Arbeit entwickeln wir Methoden, um automatisch benannte Entitäten und Beziehungen zwischen den Entitäten aus Klartext zu extrahieren. Unsere Methoden können daher verwendet werden, um entweder die bestehenden unvollständigen Wissensrepräsentationssysteme zu vervollständigen oder ein neues strukturiertes Wissensrepräsentationssystem von Grund auf zu erstellen. Im Gegensatz zu den gängigen überwachten Methoden zur Informationsextraktion konzentrieren sich unsere Methoden auf das Szenario mit wenigen Daten und erfordern keine große Menge an kommentierten Daten. Im ersten Teil der Arbeit haben wir uns auf das Problem der Erkennung von benannten Entitäten konzentriert. Wir haben an der gemeinsamen Aufgabe von Bacteria Biotope 2019 teilgenommen. Die gemeinsame Aufgabe besteht darin, biomedizinische Entitätserwähnungen zu erkennen und zu normalisieren. Unser linguistically informed Named-Entity-Recognition-System besteht aus einem Deep-Learning-basierten Modell, das sowohl verschachtelte als auch flache Entitäten extrahieren kann; unser Modell verwendet mehrere linguistische Merkmale und zusätzliche Trainingsziele, um effizientes Lernen in datenarmen Szenarien zu ermöglichen. Unser System zur Entitätsnormalisierung verwendet String-Match, Fuzzy-Suche und semantische Suche, um die extrahierten benannten Entitäten mit den biomedizinischen Datenbanken zu verknüpfen. Unser System zur Erkennung von benannten Entitäten und zur Entitätsnormalisierung erreichte die niedrigste Slot-Fehlerrate von 0,715 und belegte den ersten Platz in der gemeinsamen Aufgabe. Wir haben auch an zwei gemeinsamen Aufgaben teilgenommen: Adverse Drug Effect Span Detection (Englisch) und Profession Span Detection (Spanisch); beide Aufgaben sammeln Daten von der Social Media Plattform Twitter. Wir haben ein Named-Entity-Recognition-Modell entwickelt, das die Eingabedarstellung des Modells durch das Stapeln heterogener Einbettungen aus verschiedenen Domänen verbessern kann; unsere empirischen Ergebnisse zeigen komplementäres Lernen aus diesen heterogenen Einbettungen. Unser Beitrag belegte den 3. Platz in den beiden gemeinsamen Aufgaben. Im zweiten Teil der Arbeit untersuchten wir Strategien zur Erweiterung synthetischer Daten, um ressourcenarme Informationsextraktion in spezialisierten Domänen zu ermöglichen. Insbesondere haben wir backtranslation an die Aufgabe der Erkennung von benannten Entitäten auf Token-Ebene und der Extraktion von Beziehungen auf Satzebene angepasst. Wir zeigen, dass die Rückübersetzung sprachlich vielfältige und grammatikalisch kohärente synthetische Sätze erzeugen kann und als wettbewerbsfähige Erweiterungsstrategie für die Aufgaben der Erkennung von benannten Entitäten und der Extraktion von Beziehungen dient. Bei den meisten realen Aufgaben zur Extraktion von Beziehungen stehen keine kommentierten Daten zur Verfügung, jedoch ist häufig ein großer unkommentierter Textkorpus vorhanden. Bootstrapping-Methoden zur Beziehungsextraktion können mit diesem großen Korpus arbeiten, da sie nur eine Handvoll Startinstanzen benötigen. Bootstrapping-Methoden neigen jedoch dazu, im Laufe der Zeit Rauschen zu akkumulieren (bekannt als semantische Drift), und dieses Phänomen hat einen drastischen negativen Einfluss auf die endgültige Genauigkeit der Extraktionen. Wir entwickeln zwei Methoden zur Einschränkung des Bootstrapping-Prozesses, um die semantische Drift bei der Extraktion von Beziehungen zu minimieren. Unsere Methoden nutzen die Graphentheorie und vortrainierte Sprachmodelle, um verrauschte Extraktionsmuster explizit zu identifizieren und zu entfernen. Wir berichten über die experimentellen Ergebnisse auf dem TACRED-Datensatz für vier Relationen. Im letzten Teil der Arbeit demonstrieren wir die Anwendung der Domänenanpassung auf die anspruchsvolle Aufgabe der mehrsprachigen Akronymextraktion. Unsere Experimente zeigen, dass die Domänenanpassung die Akronymextraktion in wissenschaftlichen und juristischen Bereichen in sechs Sprachen verbessern kann, darunter auch Sprachen mit geringen Ressourcen wie Persisch und Vietnamesisch.The structured knowledge representation systems such as knowledge base or knowledge graph can provide insights regarding entities and relationship(s) among these entities in the real-world, such knowledge representation systems can be employed in various natural language processing applications such as semantic search, question answering and text summarization. It is infeasible and inefficient to manually populate these knowledge representation systems. In this work, we develop methods to automatically extract named entities and relationships among the entities from plain text and hence our methods can be used to either complete the existing incomplete knowledge representation systems to create a new structured knowledge representation system from scratch. Unlike mainstream supervised methods for information extraction, our methods focus on the low-data scenario and do not require a large amount of annotated data. In the first part of the thesis, we focused on the problem of named entity recognition. We participated in the shared task of Bacteria Biotope 2019, the shared task consists of recognizing and normalizing the biomedical entity mentions. Our linguistically informed named entity recognition system consists of a deep learning based model which can extract both nested and flat entities; our model employed several linguistic features and auxiliary training objectives to enable efficient learning in data-scarce scenarios. Our entity normalization system employed string match, fuzzy search and semantic search to link the extracted named entities to the biomedical databases. Our named entity recognition and entity normalization system achieved the lowest slot error rate of 0.715 and ranked first in the shared task. We also participated in two shared tasks of Adverse Drug Effect Span detection (English) and Profession Span Detection (Spanish); both of these tasks collect data from the social media platform Twitter. We developed a named entity recognition model which can improve the input representation of the model by stacking heterogeneous embeddings from a diverse domain(s); our empirical results demonstrate complementary learning from these heterogeneous embeddings. Our submission ranked 3rd in both of the shared tasks. In the second part of the thesis, we explored synthetic data augmentation strategies to address low-resource information extraction in specialized domains. Specifically, we adapted backtranslation to the token-level task of named entity recognition and sentence-level task of relation extraction. We demonstrate that backtranslation can generate linguistically diverse and grammatically coherent synthetic sentences and serve as a competitive augmentation strategy for the task of named entity recognition and relation extraction. In most of the real-world relation extraction tasks, the annotated data is not available, however, quite often a large unannotated text corpus is available. Bootstrapping methods for relation extraction can operate on this large corpus as they only require a handful of seed instances. However, bootstrapping methods tend to accumulate noise over time (known as semantic drift) and this phenomenon has a drastic negative impact on the final precision of the extractions. We develop two methods to constrain the bootstrapping process to minimise semantic drift for relation extraction; our methods leverage graph theory and pre-trained language models to explicitly identify and remove noisy extraction patterns. We report the experimental results on the TACRED dataset for four relations. In the last part of the thesis, we demonstrate the application of domain adaptation to the challenging task of multi-lingual acronym extraction. Our experiments demonstrate that domain adaptation can improve acronym extraction within scientific and legal domains in 6 languages including low-resource languages such as Persian and Vietnamese

Biomedical entities recognition in Spanish combining word embeddings

El reconocimiento de entidades con nombre (NER) es una tarea importante en el campo del Procesamiento del Lenguaje Natural que se utiliza para extraer conocimiento significativo de los documentos textuales. El objetivo de NER es identificar trozos de texto que se refieran a entidades específicas. En esta tesis pretendemos abordar la tarea de NER en el dominio biomédico y en español. En este dominio las entidades pueden referirse a nombres de fármacos, síntomas y enfermedades y ofrecen un conocimiento valioso a los expertos sanitarios. Para ello, proponemos un modelo basado en redes neuronales y empleamos una combinación de word embeddings. Además, nosotros generamos unos nuevos embeddings específicos del dominio y del idioma para comprobar su eficacia. Finalmente, demostramos que la combinación de diferentes word embeddings como entrada a la red neuronal mejora los resultados del estado de la cuestión en los escenarios aplicados.Named Entity Recognition (NER) is an important task in the field of Natural Language Processing that is used to extract meaningful knowledge from textual documents. The goal of NER is to identify text fragments that refer to specific entities. In this thesis we aim to address the task of NER in the Spanish biomedical domain. In this domain entities can refer to drug, symptom and disease names and offer valuable knowledge to health experts. For this purpose, we propose a model based on neural networks and employ a combination of word embeddings. In addition, we generate new domain- and language-specific embeddings to test their effectiveness. Finally, we show that the combination of different word embeddings as input to the neural network improves the state-of-the-art results in the applied scenarios.Tesis Univ. Jaén. Departamento de Informática. Leída el 22 abril de 2021