Word Sense Disambiguation for clinical abbreviations

Abbreviations are extensively used in electronic health records (EHR) of patients as well as medical documentation, reaching 30-50% of the words in clinical narrative. There are more than 197,000 unique medical abbreviations found in the clinical text and their meanings vary depending on the context in which they are used. Since data in electronic health records could be shareable across health information systems (hospitals, primary care centers, etc.) as well as others such as insurance companies information systems, it is essential determining the correct meaning of the abbreviations to avoid misunderstandings. Clinical abbreviations have specific characteristic that do not follow any standard rules for creating them. This makes it complicated to find said abbreviations and corresponding meanings. Furthermore, there is an added difficulty to working with clinical data due to privacy reasons, since it is essential to have them in order to develop and test algorithms. Word sense disambiguation (WSD) is an essential task in natural language processing (NLP) applications such as information extraction, chatbots and summarization systems among others. WSD aims to identify the correct meaning of the ambiguous word which has more than one meaning. Disambiguating clinical abbreviations is a type of lexical sample WSD task. Previous research works adopted supervised, unsupervised and Knowledge-based (KB) approaches to disambiguate clinical abbreviations. This thesis aims to propose a classification model that apart from disambiguating well known abbreviations also disambiguates rare and unseen abbreviations using the most recent deep neural network architectures for language modeling. In clinical abbreviation disambiguation several resources and disambiguation models were encountered. Different classification approaches used to disambiguate the clinical abbreviations were investigated in this thesis. Considering that computers do not directly understand texts, different data representations were implemented to capture the meaning of the words. Since it is also necessary to measure the performance of algorithms, the evaluation measurements used are discussed. As the different solutions proposed to clinical WSD we have explored static word embeddings data representation on 13 English clinical abbreviations of the UMN data set (from University of Minnesota) by testing traditional supervised machine learning algorithms separately for each abbreviation. Moreover, we have utilized a transformer-base pretrained model that was fine-tuned as a multi-classification classifier for the whole data set (75 abbreviations of the UMN data set). The aim of implementing just one multi-class classifier is to predict rare and unseen abbreviations that are most common in clinical narrative. Additionally, other experiments were conducted for a different type of abbreviations (scientific abbreviations and acronyms) by defining a hybrid approach composed of supervised and knowledge-based approaches. Most previous works tend to build a separated classifier for each clinical abbreviation, tending to leverage different data resources to overcome the data acquisition bottleneck. However, those models were restricted to disambiguate terms that have been seen in trained data. Meanwhile, based on our results, transfer learning by fine-tuning a transformer-based model could predict rare and unseen abbreviations. A remaining challenge for future work is to improve the model to automate the disambiguation of clinical abbreviations on run-time systems by implementing self-supervised learning models.Las abreviaturas se utilizan ampliamente en las historias clínicas electrónicas de los pacientes y en mucha documentación médica, llegando a ser un 30-50% de las palabras empleadas en narrativa clínica. Existen más de 197.000 abreviaturas únicas usadas en textos clínicos siendo términos altamente ambiguos El significado de las abreviaturas varía en función del contexto en el que se utilicen. Dado que los datos de las historias clínicas electrónicas pueden compartirse entre servicios, hospitales, centros de atención primaria así como otras organizaciones como por ejemplo, las compañías de seguros es fundamental determinar el significado correcto de las abreviaturas para evitar además eventos adversos relacionados con la seguridad del paciente. Nuevas abreviaturas clínicas aparecen constantemente y tienen la característica específica de que no siguen ningún estándar para su creación. Esto hace que sea muy difícil disponer de un recurso con todas las abreviaturas y todos sus significados. A todo esto hay que añadir la dificultad para trabajar con datos clínicos por cuestiones de privacidad cuando es esencial disponer de ellos para poder desarrollar algoritmos para su tratamiento. La desambiguación del sentido de las palabras (WSD, en inglés) es una tarea esencial en tareas de procesamiento del lenguaje natural (PLN) como extracción de información, chatbots o generadores de resúmenes, entre otros. WSD tiene como objetivo identificar el significado correcto de una palabra ambigua (que tiene más de un significado). Esta tarea se ha abordado previamente utilizando tanto enfoques supervisados, no supervisados así como basados en conocimiento. Esta tesis tiene como objetivo definir un modelo de clasificación que además de desambiguar abreviaturas conocidas desambigüe también abreviaturas menos frecuentes que no han aparecido previamente en los conjuntos de entrenaminto utilizando las arquitecturas de redes neuronales profundas más recientes relacionadas ocn los modelos del lenguaje. En la desambiguación de abreviaturas clínicas se emplean diversos recursos y modelos de desambiguación. Se han investigado los diferentes enfoques de clasificación utilizados para desambiguar las abreviaturas clínicas. Dado que un ordenador no comprende directamente los textos, se han implementado diferentes representaciones de textos para capturar el significado de las palabras. Puesto que también es necesario medir el desempeño de cualquier algoritmo, se describen también las medidas de evaluación utilizadas. La mayoría de los trabajos previos se han basado en la construcción de un clasificador separado para cada abreviatura clínica. De este modo, tienden a aprovechar diferentes recursos de datos para superar el cuello de botella de la adquisición de datos. Sin embargo, estos modelos se limitaban a desambiguar con los datos para los que el sistema había sido entrenado. Se han explorado además representaciones basadas vectores de palabras (word embeddings) estáticos para 13 abreviaturas clínicas en el corpus UMN en inglés (de la University of Minnesota) utilizando algoritmos de clasificación tradicionales de aprendizaje automático supervisados (un clasificador por cada abreviatura). Se ha llevado a cabo un segundo experimento utilizando un modelo multi-clasificador sobre todo el conjunto de las 75 abreviaturas del corpus UMN basado en un modelo Transformer pre-entrenado. El objetivo ha sido implementar un clasificador multiclase para predecir también abreviaturas raras y no vistas. Se realizó un experimento adicional para siglas científicas en documentos de dominio abierto mediante la aplicación de un enfoque híbrido compuesto por enfoques supervisados y basados en el conocimiento. Así, basándonos en los resultados de esta tesis, el aprendizaje por transferencia (transfer learning) mediante el ajuste (fine-tuning) de un modelo de lenguaje preentrenado podría predecir abreviaturas raras y no vistas sin necesidad de entrenarlas previamente. Un reto pendiente para el trabajo futuro es mejorar el modelo para automatizar la desambiguación de las abreviaturas clínicas en tiempo de ejecución mediante la implementación de modelos de aprendizaje autosupervisados.Programa de Doctorado en Ciencia y Tecnología Informática por la Universidad Carlos III de MadridPresidente: Israel González Carrasco.- Secretario: Leonardo Campillos Llanos.- Vocal: Ana María García Serran

Disambiguating Clinical Abbreviations Using a One-Fits-All Classifier Based on Deep Learning Techniques

Abbreviations are considered an essential part of the clinical narrative; they are used not only to save time and space but also to hide serious or incurable illnesses. Misreckoning interpretation of the clinical abbreviations could affect different aspects concerning patients themselves or other services like clinical support systems. There is no consensus in the scientific community to create new abbreviations, making it difficult to understand them. Disambiguate clinical abbreviations aim to predict the exact meaning of the abbreviation based on context, a crucial step in understanding clinical notesThis work has been supported by the Madrid Government (Comunidad de Madrid-Spain) under the Multiannual Agreement with UC3M in the line of Excellence of University Professors (EPUC3M17), and in the context of the V PRICIT (Regional Programme of Research and Technological Innovation) and Palestine Technical University - Kadoorie (Palestine). The work was also supported by the PID2020-116527RB-I00 project