Event extraction and representation: A case study for the portuguese language

Text information extraction is an important natural language processing (NLP) task, which aims to automatically identify, extract, and represent information from text. In this context, event extraction plays a relevant role, allowing actions, agents, objects, places, and time periods to be identified and represented. The extracted information can be represented by specialized ontologies, supporting knowledge-based reasoning and inference processes. In this work, we will describe, in detail, our proposal for event extraction from Portuguese documents. The proposed approach is based on a pipeline of specialized natural language processing tools; namely, a part-of-speech tagger, a named entities recognizer, a dependency parser, semantic role labeling, and a knowledge extraction module. The architecture is language-independent, but its modules are language-dependent and can be built using adequate AI (i.e., rule-based or machine learning) methodologies. The developed system was evaluated with a corpus of Portuguese texts and the obtained results are presented and analysed. The current limitations and future work are discussed in detail

The conflict escalation resolution (CONFER) database

Conflict is usually defined as a high level of disagreement taking place when individuals act on incompatible goals, interests, or intentions. Research in human sciences has recognized conflict as one of the main dimensions along which an interaction is perceived and assessed. Hence, automatic estimation of conflict intensity in naturalistic conversations would be a valuable tool for the advancement of human-centered computing and the deployment of novel applications for social skills enhancement including conflict management and negotiation. However, machine analysis of conflict is still limited to just a few works, partially due to an overall lack of suitable annotated data, while it has been mostly approached as a conflict or (dis)agreement detection problem based on audio features only. In this work, we aim to overcome the aforementioned limitations by a) presenting the Conflict Escalation Resolution (CONFER) Database, a set of excerpts from audiovisual recordings of televised political debates where conflicts naturally arise, and b)reporting baseline experiments on audiovisual conflict intensity estimation. The database contains approximately 142min of recordings in Greek language, split over 120 non-overlapping episodes of naturalistic conversations that involve two or three interactants. Subject- and session-independent experiments are conducted on continuous-time (frame-by-frame) estimation of real-valued conflict intensity, as opposed to binary conflict/non-conflict classification. For the problem at hand, the efficiency of various audio and visual features and fusion of them as well as various regression frameworks is examined. Experimental results suggest that there is much room for improvement in the design and development of automated multi-modal approaches to continuous conflict analysis. The CONFER Database is publicly available for non-commercial use at http://ibug.doc.ic.ac.uk/resources/confer/. The Conflict Escalation Resolution (CONFER) Database is presented.CONFER contains 142min (120 episodes) of recordings in Greek language.Episodes are extracted from TV political debates where conflicts naturally arise.Experiments are the first approach to continuous estimation of conflict intensity.Performance of various audio and visual features and classifiers is evaluated

The conflict escalation resolution (CONFER) database

Conflict is usually defined as a high level of disagreement taking place when individuals act on incompatible goals, interests, or intentions. Research in human sciences has recognized conflict as one of the main dimensions along which an interaction is perceived and assessed. Hence, automatic estimation of conflict intensity in naturalistic conversations would be a valuable tool for the advancement of human-centered computing and the deployment of novel applications for social skills enhancement including conflict management and negotiation. However, machine analysis of conflict is still limited to just a few works, partially due to an overall lack of suitable annotated data, while it has been mostly approached as a conflict or (dis)agreement detection problem based on audio features only. In this work, we aim to overcome the aforementioned limitations by a) presenting the Conflict Escalation Resolution (CONFER) Database, a set of excerpts from audiovisual recordings of televised political debates where conflicts naturally arise, and b)reporting baseline experiments on audiovisual conflict intensity estimation. The database contains approximately 142min of recordings in Greek language, split over 120 non-overlapping episodes of naturalistic conversations that involve two or three interactants. Subject- and session-independent experiments are conducted on continuous-time (frame-by-frame) estimation of real-valued conflict intensity, as opposed to binary conflict/non-conflict classification. For the problem at hand, the efficiency of various audio and visual features and fusion of them as well as various regression frameworks is examined. Experimental results suggest that there is much room for improvement in the design and development of automated multi-modal approaches to continuous conflict analysis. The CONFER Database is publicly available for non-commercial use at http://ibug.doc.ic.ac.uk/resources/confer/. The Conflict Escalation Resolution (CONFER) Database is presented.CONFER contains 142min (120 episodes) of recordings in Greek language.Episodes are extracted from TV political debates where conflicts naturally arise.Experiments are the first approach to continuous estimation of conflict intensity.Performance of various audio and visual features and classifiers is evaluated

Foundation, Implementation and Evaluation of the MorphoSaurus System: Subword Indexing, Lexical Learning and Word Sense Disambiguation for Medical Cross-Language Information Retrieval

Im medizinischen Alltag, zu welchem viel Dokumentations- und Recherchearbeit gehört, ist mittlerweile der überwiegende Teil textuell kodierter Information elektronisch verfügbar. Hiermit kommt der Entwicklung leistungsfähiger Methoden zur effizienten Recherche eine vorrangige Bedeutung zu. Bewertet man die Nützlichkeit gängiger Textretrievalsysteme aus dem Blickwinkel der medizinischen Fachsprache, dann mangelt es ihnen an morphologischer Funktionalität (Flexion, Derivation und Komposition), lexikalisch-semantischer Funktionalität und der Fähigkeit zu einer sprachübergreifenden Analyse großer Dokumentenbestände. In der vorliegenden Promotionsschrift werden die theoretischen Grundlagen des MorphoSaurus-Systems (ein Akronym für Morphem-Thesaurus) behandelt. Dessen methodischer Kern stellt ein um Morpheme der medizinischen Fach- und Laiensprache gruppierter Thesaurus dar, dessen Einträge mittels semantischer Relationen sprachübergreifend verknüpft sind. Darauf aufbauend wird ein Verfahren vorgestellt, welches (komplexe) Wörter in Morpheme segmentiert, die durch sprachunabhängige, konzeptklassenartige Symbole ersetzt werden. Die resultierende Repräsentation ist die Basis für das sprachübergreifende, morphemorientierte Textretrieval. Neben der Kerntechnologie wird eine Methode zur automatischen Akquise von Lexikoneinträgen vorgestellt, wodurch bestehende Morphemlexika um weitere Sprachen ergänzt werden. Die Berücksichtigung sprachübergreifender Phänomene führt im Anschluss zu einem neuartigen Verfahren zur Auflösung von semantischen Ambiguitäten. Die Leistungsfähigkeit des morphemorientierten Textretrievals wird im Rahmen umfangreicher, standardisierter Evaluationen empirisch getestet und gängigen Herangehensweisen gegenübergestellt

Recognition and normalization of biomedical entities within clinical notes

Tese de mestrado, Engenharia Informática (Sistemas de Informação), Universidade de Lisboa, Faculdade de Ciências, 2015Os profissionais de saúde, como parte do seu trabalho, têm a obrigação de registar manualmente o seu conhecimento de forma não estruturada, sendo as notas clínicas um dos vários tipos de documentos gerados. As notas clínicas descrevem a situação clínica dos pacientes, contendo informação relativamente aos seus tratamentos, sintomas, doenças, diagnósticos, procedimentos, etc. A introdução desta informação em Electronic Health Records (EHRs) está a ser fortemente encorajada, originando um crescimento exponencial no volume de notas clínicas em formato digital. A disponibilização desta informação em formato digital oferece uma maior liberdade, permitindo uma fácil partilha das mesmas entre instituições médicas, acompanhando assim o percurso do paciente. Nas notas clínicas a informação é registada utilizando a língua natural desprovida de qualquer estruturação. O registo de informação de forma estruturada, apesar de ser recomendado, condiciona o trabalho dos profissionais de saúde. Tal imposição aumenta o tempo necessário para efetuar o registo do conhecimento assim como impõe limites na descrição de casos fora do comum. A aplicação de técnicas de prospeção de texto (text mining) aparece então como solução para o processamento automático da informação não estruturada permitindo a conversão num formato que permita os sistemas computacionais analisar. Dado que os profissionais médicos utilizam diferentes terminologias de acordo com o contexto e a respetiva especialização, o processamento de notas clínicas comporta vários desafios, dada a sua heterogeneidade, ambiguidade e necessidade contextual. São várias as técnicas de text mining utilizadas para resolver estes desafios, sendo neste trabalho exploradas técnicas de aprendizagem automática (Machine Learning), semelhança textual (Pattern Matching), conteúdo da informação (Information Content) e semelhança semântica (Semantic Similarity). O objetivo deste trabalho consiste no estudo e desenvolvimento de um sistema que permita reconhecer e normalizar entidades biomédicas em notas clínicas, assim como o desenvolvimento da respetiva interface. A tarefa de reconhecimento consiste em identificar entidades relevantes em notas clínicas, sendo que a normalização passa pela atribuição, a cada entidade reconhecida, de um identificador único pertencente a um vocabulário controlado. Para tal, o sistema desenvolvido utiliza técnicas de prospeção de texto e usa a ontologia SNOMED CT como vocabulário controlado. Utiliza ainda dois conjuntos de notas clínicas, um não anotado e outro anotado manualmente por profissionais de saúde. Este último conjunto é referido como conjunto de treino. O sistema foi desenvolvido usando uma arquitetura modular em pipeline, composta por dois módulos, recebendo como input um conjunto de notas clínicas não anotadas. A execução do sistema resulta na anotação automática, isto é, no reconhecimento e normalização das notas clínicas recebidas como input. O primeiro módulo é responsável pelo reconhecimento de entidades biomédicas. A estratégia usada consiste na aplicação de algoritmos de aprendizagem automática de forma a gerar um modelo de reconhecimento baseado em casos passados, isto é, notas clínicas manualmente anotadas. O software de aprendizagem automática Stanford NER foi utilizado para gerar modelos CRF (Conditional Random Field). Este módulo comporta dois processos: o de treino e o de execução. No processo de treino, cada palavra (ou token) existente nas notas clínicas é caracterizada com base num conjunto de propriedades entre as quais: Brown clusters, formato do token, vizinhança e léxicos pertencentes a vários domínios. A caracterização de cada token permite que estes sejam representados junto do algoritmo de aprendizagem automática. Este trabalho utilizou o inovador modelo de segmentação SBIEON, permitindo a identificação de entidades não contínuas. O algoritmo de aprendizagem automática vai gerar um modelo de reconhecimento baseado nas propriedades associadas a cada token. O modelo de reconhecimento gerado permite identificar entidades em novas notas clínicas Não anotadas, associando a cada token existente nas respectivas notas clínicas, uma classe pertencente ao modelo de segmentação escolhido. As entidades relevantes são compostas por tokens que tenham sido associados a uma classe relevante. O segundo módulo do sistema é responsável pela normalização das entidades identificadas pelo módulo de reconhecimento como sendo relevantes. Uma arquitetura modular em pipeline é utilizada, sendo cada componente responsável pela normalização de um conjunto restrito de entidades pertencentes a um determinado dicionário. Um total de cinco dicionários são gerados baseados nas notas clínicas de treino (abreviações não ambíguas, entidades não ambíguas e entidades ambíguas) e na ontologia SNOMED CT (entidades ambíguas e não ambíguas). Os primeiros três componentes normalizam as entidades não ambíguos utilizando uma pesquisa de dicionário. A entidade a normalizar é procurada nos dicionários não ambíguos, e caso seja encontrada uma correspondência, o respetivo identificador e associado. O primeiro componente utiliza o dicionário de abreviações, o segundo o dicionário de notas clinicas de treino não ambíguo e o terceiro o dicionário SNOMED CT não ambíguo. O quarto e quinto componente normalizam entidades ambíguas pertencentes às notas clínicas de treino e ao SNOMED CT respetivamente. Em ambos, uma pesquisa de dicionário é efetuada para recolher os identificadores candidatos. O quarto componente desambigua as entidades utilizando uma medida resultante da combinação linear do Information Content e da frequência do identificador nas notas clínicas em questão. O quinto componente baseia-se em entidades previamente normalizadas num mesmo documento, utilizando uma estratégia baseada na semelhança semântica. A entidade ambígua com maior semelhança semântica é a escolhida, assumindo desta forma que entidades pertencentes ao mesmo documento devem ser semelhantes entre si.O último componente normaliza entidades que não estejam representadas em nenhum dos dicionários referidos. Técnicas de Pattern Matching são aplicadas de forma a identificar a entidade candidata textualmente mais semelhante. Esta entidade é depois inserida no pipeline do sistema, sendo normalizada por um dos componentes anteriormente descritos. Para este componente, medidas como o NGram Similarity e Levenhstein foram utilizadas, tendo esta ultima medida sido estendida de forma a permitir medir a semelhança textual entre duas entidades sem ter em conta a ordem dos seus tokens (ExtendedLevenhstein). A interface desenvolvida permite aos utilizadores introduzirem documentos no formato de texto ou através da introdução de um identificador de um artigo no sistema PUBMED ou de um Tweet, sendo efetuada a recolha do texto associado. A interface permite ainda que os utilizadores corrijam ou adicionem novas anotações ao texto, sendo estas alterações registadas pelo sistema. São ainda apresentadas várias estatísticas em tempo real que permitem aos utilizadores navegar entre documentos. O sistema apresentado neste trabalho é resultante de duas primeiras iterações. A primeira foi utilizada para participar no SemEval 2014 e foi desenvolvida pela equipa ULisboa da qual fui autor principal. A segunda foi desenvolvida por mim no âmbito deste trabalho e foi utilizada para participar no SemEval 2015. Ambas as competições endereçavam a tarefa de Analysis of Clinical Text, sendo os sistemas submetidos avaliados oficialmente usando as medidas: precision, recall, F-score e accuracy. De forma a comparar o impacto do uso de machine learning no reconhecimento, desenvolvi adicionalmente um módulo de reconhecimento baseada em regras, permitindo assim comparar o desempenho de ambas as estratégias. Além das avaliações oficiais, o sistema foi igualmente avaliado localmente utilizando as mesmas medidas mas recorrendo a um conjunto de notas clinicas diferentes para avaliação. As avaliações permitiram entender o desempenho do sistema ao longo das várias iterações e do seu potencial atual. Foi possível observar que o sistema apresentado atingiu os objetivos esperados, conseguindo reconhecer e normalizar entidades biomédicas com um elevado desempenho. Olhando para cada módulo individualmente, observou-se que a utilização de algoritmos de machine learning permitiu atingir resultados bastante mais elevados no reconhecimento de entidades, do que aqueles obtidos utilizando uma abordagem baseada em regras. Observou-se ainda que a adição de Brown clusters como propriedades durante o treino melhorou o desempenho do sistema. A adição de léxicos produziu um efeito contrário, reduzindo o desempenho. Olhando apenas para o módulo de normalização, este conseguiu normalizar entidades com uma confiança de 91.3%. Este valor é bastante superior ao obtido pela primeira iteração do sistema que apenas atingiu uma confiança de 60.2%. O sistema como um todo foi avaliado oficialmente nas competições mencionadas. No SemEval 2014 o sistema submetido obteve o 14o lugar na tarefa de reconhecimento e o 25o na de normalização. Já no SemEval 2015, o sistema foi capaz de obter o 2o lugar com uma precision de 77.9%, um recall de 70.5% e um F-score de 74%. A avaliação desta última competição assumiu o reconhecimento e a normalização como uma tarefa única. Estes resultados mostram que o sistema evoluiu bastante, atingindo um excelente desemepenho. O sistema conseguiu ainda superar os resultados obtidos pelo sistema da equipa UTH CCB que na edição de 2014 foi a equipa que obteve a melhor classificação. Este trabalho apresenta um sistema que apesar de usar técnicas state of the art com algumas adaptações, conseguiu atingir um desempenho relevante face a outros sistemas a nível global, possuindo um enorme potencial para atingir melhores resultados. Como trabalho futuro, o módulo de reconhecimento poderá ser melhorado através da introdução de novas propriedades que melhorem a definição das entidades relevantes. Alguns componentes da pipeline de normalização podem ser amplamente melhorados, aplicando novas técnicas de desambiguação e pattern matching, ou mesmo recorrendo a algoritmos learningto rank semelhantes ao apresentado pelo sistema de DNorm é visto igualmente como uma mais valia.Clinical notes in textual form occur frequently in Electronic Health Records (EHRs).They are mainly used to describe treatment plans, symptoms, diagnostics, etc. Clinicalnotes are recorded in narrative language without any structured form and, since each medicalprofessional uses different types of terminologies according to context and to theirspecialization, the interpretation of these notes is very challenging for their complexity,heterogeneity, ambiguity and contextual sensitivity.Forcing medical professionals to introduce the information in a predefined structuresimplifies the interpretation. However, the imposition of such a rigid structure increasesnot only the time needed to record data, but it also introduces barriers at recording unusualcases. Thus, medical professionals are already encouraged to record the information in adigital form, but mostyl as narrative text. This will increase the amount of clinical notes toprocess, and doing it manually requires a huge human effort to accomplish it in a feasible time. This work presents a system for automatic recognition and normalization of biomedical concepts within clinical notes, by applying text mining techniques and using domain knowledge from the SNOMED CT ontology. The system is composed by two modules.The first one is responsible for the recognition and it is based on the Stanford NER Softwareto generate CRF models. The models were generated by using a rich set of features and employing a novel classification system, SBIEON. The second module is responsible for the normalization, where a pipeline framework was created. This modular framework leverages on a set of techniques such as (i) direct match dictionary lookup, (ii) pattern matching, (iii) information content and (iv) semantic similarity. The system was evaluated in the SemEval 2015 international competition, achieving the second best F-score (74%) and the second best precision (77.9%), among 38 submissions. After the competition, this system was improved, increasing the overall performance and reducing the running time by 60%

What does explainable AI explain?

Machine Learning (ML) models are increasingly used in industry, as well as in scientific research and social contexts. Unfortunately, ML models provide only partial solutions to real-world problems, focusing on predictive performance in static environments. Problem aspects beyond prediction, such as robustness in employment, knowledge generation in science, or providing recourse recommendations to end-users, cannot be directly tackled with ML models. Explainable Artificial Intelligence (XAI) aims to solve, or at least highlight, problem aspects beyond predictive performance through explanations. However, the field is still in its infancy, as fundamental questions such as “What are explanations?”, “What constitutes a good explanation?”, or “How relate explanation and understanding?” remain open. In this dissertation, I combine philosophical conceptual analysis and mathematical formalization to clarify a prerequisite of these difficult questions, namely what XAI explains: I point out that XAI explanations are either associative or causal and either aim to explain the ML model or the modeled phenomenon. The thesis is a collection of five individual research papers that all aim to clarify how different problems in XAI are related to these different “whats”. In Paper I, my co-authors and I illustrate how to construct XAI methods for inferring associational phenomenon relationships. Paper II directly relates to the first; we formally show how to quantify uncertainty of such scientific inferences for two XAI methods – partial dependence plots (PDP) and permutation feature importance (PFI). Paper III discusses the relationship between counterfactual explanations and adversarial examples; I argue that adversarial examples can be described as counterfactual explanations that alter the prediction but not the underlying target variable. In Paper IV, my co-authors and I argue that algorithmic recourse recommendations should help data-subjects improve their qualification rather than to game the predictor. In Paper V, we address general problems with model agnostic XAI methods and identify possible solutions

Biologically motivated keypoint detection for RGB-D data

With the emerging interest in active vision, computer vision researchers have been increasingly concerned with the mechanisms of attention. Therefore, several visual attention computational models inspired by the human visual system, have been developed, aiming at the detection of regions of interest in images. This thesis is focused on selective visual attention, which provides a mechanism for the brain to focus computational resources on an object at a time, guided by low-level image properties (Bottom-Up attention). The task of recognizing objects in different locations is achieved by focusing on different locations, one at a time. Given the computational requirements of the models proposed, the research in this area has been mainly of theoretical interest. More recently, psychologists, neurobiologists and engineers have developed cooperation's and this has resulted in considerable benefits. The first objective of this doctoral work is to bring together concepts and ideas from these different research areas, providing a study of the biological research on human visual system and a discussion of the interdisciplinary knowledge in this area, as well as the state-of-art on computational models of visual attention (bottom-up). Normally, the visual attention is referred by engineers as saliency: when people fix their look in a particular region of the image, that's because that region is salient. In this research work, saliency methods are presented based on their classification (biological plausible, computational or hybrid) and in a chronological order. A few salient structures can be used for applications like object registration, retrieval or data simplification, being possible to consider these few salient structures as keypoints when aiming at performing object recognition. Generally, object recognition algorithms use a large number of descriptors extracted in a dense set of points, which comes along with very high computational cost, preventing real-time processing. To avoid the problem of the computational complexity required, the features have to be extracted from a small set of points, usually called keypoints. The use of keypoint-based detectors allows the reduction of the processing time and the redundancy in the data. Local descriptors extracted from images have been extensively reported in the computer vision literature. Since there is a large set of keypoint detectors, this suggests the need of a comparative evaluation between them. In this way, we propose to do a description of 2D and 3D keypoint detectors, 3D descriptors and an evaluation of existing 3D keypoint detectors in a public available point cloud library with 3D real objects. The invariance of the 3D keypoint detectors was evaluated according to rotations, scale changes and translations. This evaluation reports the robustness of a particular detector for changes of point-of-view and the criteria used are the absolute and the relative repeatability rate. In our experiments, the method that achieved better repeatability rate was the ISS3D method. The analysis of the human visual system and saliency maps detectors with biological inspiration led to the idea of making an extension for a keypoint detector based on the color information in the retina. Such proposal produced a 2D keypoint detector inspired by the behavior of the early visual system. Our method is a color extension of the BIMP keypoint detector, where we include both color and intensity channels of an image: color information is included in a biological plausible way and multi-scale image features are combined into a single keypoints map. This detector is compared against state-of-art detectors and found particularly well-suited for tasks such as category and object recognition. The recognition process is performed by comparing the extracted 3D descriptors in the locations indicated by the keypoints after mapping the 2D keypoints locations to the 3D space. The evaluation allowed us to obtain the best pair keypoint detector/descriptor on a RGB-D object dataset. Using our keypoint detector and the SHOTCOLOR descriptor a good category recognition rate and object recognition rate were obtained, and it is with the PFHRGB descriptor that we obtain the best results. A 3D recognition system involves the choice of keypoint detector and descriptor. A new method for the detection of 3D keypoints on point clouds is presented and a benchmarking is performed between each pair of 3D keypoint detector and 3D descriptor to evaluate their performance on object and category recognition. These evaluations are done in a public database of real 3D objects. Our keypoint detector is inspired by the behavior and neural architecture of the primate visual system: the 3D keypoints are extracted based on a bottom-up 3D saliency map, which is a map that encodes the saliency of objects in the visual environment. The saliency map is determined by computing conspicuity maps (a combination across different modalities) of the orientation, intensity and color information, in a bottom-up and in a purely stimulusdriven manner. These three conspicuity maps are fused into a 3D saliency map and, finally, the focus of attention (or "keypoint location") is sequentially directed to the most salient points in this map. Inhibiting this location automatically allows the system to attend to the next most salient location. The main conclusions are: with a similar average number of keypoints, our 3D keypoint detector outperforms the other eight 3D keypoint detectors evaluated by achiving the best result in 32 of the evaluated metrics in the category and object recognition experiments, when the second best detector only obtained the best result in 8 of these metrics. The unique drawback is the computational time, since BIK-BUS is slower than the other detectors. Given that differences are big in terms of recognition performance, size and time requirements, the selection of the keypoint detector and descriptor has to be matched to the desired task and we give some directions to facilitate this choice. After proposing the 3D keypoint detector, the research focused on a robust detection and tracking method for 3D objects by using keypoint information in a particle filter. This method consists of three distinct steps: Segmentation, Tracking Initialization and Tracking. The segmentation is made to remove all the background information, reducing the number of points for further processing. In the initialization, we use a keypoint detector with biological inspiration. The information of the object that we want to follow is given by the extracted keypoints. The particle filter does the tracking of the keypoints, so with that we can predict where the keypoints will be in the next frame. In a recognition system, one of the problems is the computational cost of keypoint detectors with this we intend to solve this problem. The experiments with PFBIKTracking method are done indoors in an office/home environment, where personal robots are expected to operate. The Tracking Error evaluates the stability of the general tracking method. We also quantitatively evaluate this method using a "Tracking Error". Our evaluation is done by the computation of the keypoint and particle centroid. Comparing our system that the tracking method which exists in the Point Cloud Library, we archive better results, with a much smaller number of points and computational time. Our method is faster and more robust to occlusion when compared to the OpenniTracker.Com o interesse emergente na visão ativa, os investigadores de visão computacional têm estado cada vez mais preocupados com os mecanismos de atenção. Por isso, uma série de modelos computacionais de atenção visual, inspirado no sistema visual humano, têm sido desenvolvidos. Esses modelos têm como objetivo detetar regiões de interesse nas imagens. Esta tese está focada na atenção visual seletiva, que fornece um mecanismo para que o cérebro concentre os recursos computacionais num objeto de cada vez, guiado pelas propriedades de baixo nível da imagem (atenção Bottom-Up). A tarefa de reconhecimento de objetos em diferentes locais é conseguida através da concentração em diferentes locais, um de cada vez. Dados os requisitos computacionais dos modelos propostos, a investigação nesta área tem sido principalmente de interesse teórico. Mais recentemente, psicólogos, neurobiólogos e engenheiros desenvolveram cooperações e isso resultou em benefícios consideráveis. No início deste trabalho, o objetivo é reunir os conceitos e ideias a partir dessas diferentes áreas de investigação. Desta forma, é fornecido o estudo sobre a investigação da biologia do sistema visual humano e uma discussão sobre o conhecimento interdisciplinar da matéria, bem como um estado de arte dos modelos computacionais de atenção visual (bottom-up). Normalmente, a atenção visual é denominada pelos engenheiros como saliência, se as pessoas fixam o olhar numa determinada região da imagem é porque esta região é saliente. Neste trabalho de investigação, os métodos saliência são apresentados em função da sua classificação (biologicamente plausível, computacional ou híbrido) e numa ordem cronológica. Algumas estruturas salientes podem ser usadas, em vez do objeto todo, em aplicações tais como registo de objetos, recuperação ou simplificação de dados. É possível considerar estas poucas estruturas salientes como pontos-chave, com o objetivo de executar o reconhecimento de objetos. De um modo geral, os algoritmos de reconhecimento de objetos utilizam um grande número de descritores extraídos num denso conjunto de pontos. Com isso, estes têm um custo computacional muito elevado, impedindo que o processamento seja realizado em tempo real. A fim de evitar o problema da complexidade computacional requerido, as características devem ser extraídas a partir de um pequeno conjunto de pontos, geralmente chamados pontoschave. O uso de detetores de pontos-chave permite a redução do tempo de processamento e a quantidade de redundância dos dados. Os descritores locais extraídos a partir das imagens têm sido amplamente reportados na literatura de visão por computador. Uma vez que existe um grande conjunto de detetores de pontos-chave, sugere a necessidade de uma avaliação comparativa entre eles. Desta forma, propomos a fazer uma descrição dos detetores de pontos-chave 2D e 3D, dos descritores 3D e uma avaliação dos detetores de pontos-chave 3D existentes numa biblioteca de pública disponível e com objetos 3D reais. A invariância dos detetores de pontoschave 3D foi avaliada de acordo com variações nas rotações, mudanças de escala e translações. Essa avaliação retrata a robustez de um determinado detetor no que diz respeito às mudanças de ponto-de-vista e os critérios utilizados são as taxas de repetibilidade absoluta e relativa. Nas experiências realizadas, o método que apresentou melhor taxa de repetibilidade foi o método ISS3D. Com a análise do sistema visual humano e dos detetores de mapas de saliência com inspiração biológica, surgiu a ideia de se fazer uma extensão para um detetor de ponto-chave com base na informação de cor na retina. A proposta produziu um detetor de ponto-chave 2D inspirado pelo comportamento do sistema visual. O nosso método é uma extensão com base na cor do detetor de ponto-chave BIMP, onde se incluem os canais de cor e de intensidade de uma imagem. A informação de cor é incluída de forma biológica plausível e as características multi-escala da imagem são combinadas num único mapas de pontos-chave. Este detetor é comparado com os detetores de estado-da-arte e é particularmente adequado para tarefas como o reconhecimento de categorias e de objetos. O processo de reconhecimento é realizado comparando os descritores 3D extraídos nos locais indicados pelos pontos-chave. Para isso, as localizações do pontos-chave 2D têm de ser convertido para o espaço 3D. Isto foi possível porque o conjunto de dados usado contém a localização de cada ponto de no espaço 2D e 3D. A avaliação permitiu-nos obter o melhor par detetor de ponto-chave/descritor num RGB-D object dataset. Usando o nosso detetor de ponto-chave e o descritor SHOTCOLOR, obtemos uma noa taxa de reconhecimento de categorias e para o reconhecimento de objetos é com o descritor PFHRGB que obtemos os melhores resultados. Um sistema de reconhecimento 3D envolve a escolha de detetor de ponto-chave e descritor, por isso é apresentado um novo método para a deteção de pontos-chave em nuvens de pontos 3D e uma análise comparativa é realizada entre cada par de detetor de ponto-chave 3D e descritor 3D para avaliar o desempenho no reconhecimento de categorias e de objetos. Estas avaliações são feitas numa base de dados pública de objetos 3D reais. O nosso detetor de ponto-chave é inspirado no comportamento e na arquitetura neural do sistema visual dos primatas. Os pontos-chave 3D são extraídas com base num mapa de saliências 3D bottom-up, ou seja, um mapa que codifica a saliência dos objetos no ambiente visual. O mapa de saliência é determinada pelo cálculo dos mapas de conspicuidade (uma combinação entre diferentes modalidades) da orientação, intensidade e informações de cor de forma bottom-up e puramente orientada para o estímulo. Estes três mapas de conspicuidade são fundidos num mapa de saliência 3D e, finalmente, o foco de atenção (ou "localização do ponto-chave") está sequencialmente direcionado para os pontos mais salientes deste mapa. Inibir este local permite que o sistema automaticamente orientado para próximo local mais saliente. As principais conclusões são: com um número médio similar de pontos-chave, o nosso detetor de ponto-chave 3D supera os outros oito detetores de pontos-chave 3D avaliados, obtendo o melhor resultado em 32 das métricas avaliadas nas experiências do reconhecimento das categorias e dos objetos, quando o segundo melhor detetor obteve apenas o melhor resultado em 8 dessas métricas. A única desvantagem é o tempo computacional, uma vez que BIK-BUS é mais lento do que os outros detetores. Dado que existem grandes diferenças em termos de desempenho no reconhecimento, de tamanho e de tempo, a seleção do detetor de ponto-chave e descritor tem de ser interligada com a tarefa desejada e nós damos algumas orientações para facilitar esta escolha neste trabalho de investigação. Depois de propor um detetor de ponto-chave 3D, a investigação incidiu sobre um método robusto de deteção e tracking de objetos 3D usando as informações dos pontos-chave num filtro de partículas. Este método consiste em três etapas distintas: Segmentação, Inicialização do Tracking e Tracking. A segmentação é feita de modo a remover toda a informação de fundo, a fim de reduzir o número de pontos para processamento futuro. Na inicialização, usamos um detetor de ponto-chave com inspiração biológica. A informação do objeto que queremos seguir é dada pelos pontos-chave extraídos. O filtro de partículas faz o acompanhamento dos pontoschave, de modo a se poder prever onde os pontos-chave estarão no próximo frame. As experiências com método PFBIK-Tracking são feitas no interior, num ambiente de escritório/casa, onde se espera que robôs pessoais possam operar. Também avaliado quantitativamente este método utilizando um "Tracking Error". A avaliação passa pelo cálculo das centróides dos pontos-chave e das partículas. Comparando o nosso sistema com o método de tracking que existe na biblioteca usada no desenvolvimento, nós obtemos melhores resultados, com um número muito menor de pontos e custo computacional. O nosso método é mais rápido e mais robusto em termos de oclusão, quando comparado com o OpenniTracker

Named Entity Recognition and Linking in a Multilingual Biomedical Setting

Tese de mestrado, Bioinformática e Biologia Computacional, Universidade de Lisboa, Faculdade de Ciências, 2021Information analysis is an essential process for all researchers and physicians. However, the amount of biomedical literature that we currently have available and the format in which it is found make this process difficult. Therefore, it is essential to apply text mining tools to automatically obtain information from these documents. The problem is that most of these tools are not designed to deal with non-English languages, which is critical in the biomedical literature, since many of these documents are written in the authors’ native language. Although there have been organized several shared tasks where text mining tools were developed for the Spanish language, the same does not happen for the Portuguese language. However, due to the lexical similarity between the two languages, it is possible to hypothesize that the tools for the two languages may be similar and that there is an annotation transfer between Portuguese and Spanish. To contribute to the development of text mining tools for Portuguese and Spanish, this dissertation presents the ICERL (Iberian Cancer-related Entity Recognition and Linking) system, a NERL (Named Entity Recognition and Linking) system that uses deep learning and it is composed of two similar pipelines for each language, and the parallel corpus ICR (Iberian Cancer-related) corpus. Both these tools are focused on the oncology domain. The application of the ICERL system on the ICR corpus resulted in 3,999 annotations in Spanish and 3,287 in Portuguese. The similarities between the annotations of the two languages and the F1-score of 0.858 that resulted from the comparison of the Portuguese annotations with the Spanish ones confirm the hypothesis initially presented.A divulgação de descobertas realizadas pelos investigadores e médicos é feita através de vários documentos como livros, artigos, patentes e outros tipos de publicações. Para que investigadores estejam atualizados sobre a sua área de interesse, é essencial que realizem uma análise rápida e eficaz destes documentos. Isto porque, quanto mais eficiente for esta fase, melhores serão os resultados que serão obtidos e, quanto mais rápida for, mais tempo poderão dedicar a outras componentes dos seus trabalhos. No entanto, a velocidade com que estes documentos são publicados e o facto de o texto presente nos mesmos ser expresso em linguagem natural dificulta esta tarefa. Por isso, torna-se essencial a aplicação de ferramentas de prospeção de texto para a extração de informação. As ferramentas de prospeção de texto são compostas por diversas etapas, como por exemplo, Reconhecimento de Entidades Nomeadas (em inglês Named Entity Recognition ou NER) e Mapeamento de Entidades Nomeadas (em inglês Named Entity Linking ou NEL). A etapa NER corresponde à identificação de uma entidade no texto. NEL consiste na ligação de entidades a uma base de conhecimento. Os sistemas estado-de-arte para a NER são métodos de aprendizagem profunda e normalmente utilizam a arquitetura BiLSTM-CRF. Por outro lado, os sistemas estado-de-arte NEL usam não só métodos de aprendizagem profunda, mas também métodos baseados em grafos. A maioria dos sistemas de prospeção de texto que atualmente temos disponíveis está desenhada ape nas para a língua inglesa, o que é problemático, pois muitas das vezes a literatura biomédica encontra-se descrita na língua nativa dos autores. Para resolver este problema têm surgido competições para desenvolver sistemas de prospeção de texto para outras línguas que não o inglês. Uma das línguas que têm sido um dos principais focos destas competições é a língua espanhola. O espanhol é a segunda língua com o maior número de falantes nativos no mundo e com um elevado número de publicações biomédicas disponível. Um dos exemplos de competições para a língua espanhola é o CANTEMIST. O objetivo do CANTEMIST passa pela identificação de entidades do domínio oncológico e a ligação das mesmas à base de dados Clasificación Internacional de Enfermedades para Oncología (CIE-O). Por outro lado, o português não têm sido alvo de grande interesse por parte destas competições. Devido ao facto de que o português e o espanhol derivarem do latim, existe uma semelhança lexical elevada entre as duas línguas (89%). Portanto, é possível assumir que as soluções encontradas para espanhol possam ser adaptadas ou utilizadas para o português, e que exista transferências de anotações entre as duas línguas. Por isso, o objetivo deste trabalho passa por criar ferramentas que validem esta hipótese: o sistema ICERL (Iberian Cancer-related Entity Recognition and Linking) e o corpus ICR (Iberian Cancer-related). O sistema ICERL é um sistema NERL (Named Entity Recognition and Linking) bilíngue português-espanhol, enquanto que o ICR é um corpus paralelo para as mesmas línguas. Ambas as ferramentas estão desenhadas para o domínio oncológico. A primeira etapa no desenvolvimento do sistema ICERL passou pela criação de uma pipeline NERL para a língua espanhola específica para o domínio oncológico. Esta pipeline foi baseada no trabalho desenvolvido pela equipa LasigeBioTM na competição CANTEMIST. A abordagem apresentada pelo LasigeBioTM no CANTEMIST consiste na utilização da framework Flair para a tarefa NER e do algoritmo Personalized PageRank (PPR) para a tarefa NEL. O Flair é uma ferramenta que permite a combinação de diferentes embeddings (representações vetoriais para palavras) de diferentes modelos num só para a tarefa NER. O PPR é uma variação do algoritmo PageRank que é utilizado para classificar importância de páginas web. O algoritmo PageRank é aplicado sobre um grafo. Originalmente, cada nó do grafo representava uma página web e as ligações entre nós representavam hiperligações entre páginas. O algoritmo estima a coerência de cada nó no grafo, isto é, a sua relevância. No contexto da tarefa NEL, o grafo é composto por candidatos para as entidades de interesse. O Flair foi utilizado pela equipa LasigeBioTM para o treino de embeddings que foram obtidos em documentos em espanhol do PubMed. Estes embeddings foram integrados num modelo para NER que foi treinado nos conjuntos de treino e desenvolvimento do corpus do CANTEMIST. O modelo treinado foi depois utilizado no conjunto de teste do corpus do CANTEMIST para a obtenção de ficheiros de anotação com as entidades reconhecidas. Foi depois feita uma procura pelos candidatos para a tarefa de NEL das entidades reconhecidas em três bases de dados: o CIE-O, o Health Sciences Descriptors (DeCS) e o International Classification of Diseases (ICD). A partir destes candidatos foi construído um grafo e através do algoritmo PPR os candidatos foram classificados e foi escolhido o melhor candidato para ligar cada entidade. Esta pipeline foi aperfeiçoada através da adição de novos embeddings, um prolongamento do treino no modelo NER e uma correção de erros no código do sistema para a tarefa NEL. Apesar destas alterações contribuírem para um aumento significativo na performance da tarefa NEL (medida-F de 0.0061 para 0.665), o mesmo não aconteceu para a tarefa NER (medida-F de 0.741 para 0.754). A versão final do sistema ICERL é composta por uma pipeline para a língua portuguesa e pela pipeline que foi testada no corpus do CANTEMIST, com uma ligeira diferença na tarefa NEL: em vez de ser escolhido apenas um candidato para cada entidade, é escolhida uma lista de candidatos do CIE-O e o DeCS. Já na pipeline portuguesa são escolhidos candidatos do DeCS e da Classificação Internacional de Doenças (CID). Esta diferença na tarefa NEL deve-se ao método que foi utilizado para avaliar a performance do sistema ICERL e para não restringir o sistema a apenas um candidato e a um vocabulário. Para a construção da pipeline portuguesa, três modelos para a tarefa NER foram testados e concluiu-se que a melhor abordagem passaria pela combinação de um modelo semelhante ao modelo utilizado na pipeline espanhola e o modelo BioBERTpt. Devido à elevada semelhança lexical entre as duas línguas, foi testada a hipótese de utilização da mesma pipeline para as duas línguas. No entanto, através do software NLPStatTest foi possível concluir que a utilização de uma pipeline específica para cada língua traduz-se numa melhoria de 58 por cento na medida-F para os textos em português. O corpus ICR é composto por 1555 documentos para cada língua que foram retirados do SciELO. Uma vez que a pipeline espanhola foi treinada com ficheiros do CANTEMIST corpus, foi também necessário retirar documentos do SciELO e do PubMed para treinar a pipeline portuguesa. O sistema ICERL foi aplicado ao corpus ICR e o método de avaliação passou pela comparação dos resultados das anotações portuguesas com as anotações em espanhol. Isto porque foi possível avaliar a performance da pipeline espanhol no corpus do CANTEMIST, e os resultados obtidos foram próximos do estado-de-arte. A aplicação do sistema ICERL no corpus ICR resultou em 3999 anotações em espanhol sendo que 216 dessas anotações são únicas e 3287 em português sendo que 171 dessas anotações são únicas. Para além disso, a entidade câncer é a entidade mais frequente para as duas línguas. Para além destas semelhanças nas anotações, o facto de ter sido obtido 0.858 em medida-F no método de avaliação permite concluir que existe transferências de anotações entre as duas línguas e que é possível utilizar ferramentas de prospeção de texto semelhantes para ambas