基于詞義增強(qiáng)的生物醫(yī)學(xué)命名實(shí)體識(shí)別方法

陳夢(mèng)萱，陳艷平，扈應(yīng)，黃瑞章，秦永彬

（1.貴州大學(xué) 公共大數(shù)據(jù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，貴陽(yáng) 550025；2.貴州大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，貴陽(yáng) 550025）

0 概述

隨著生物醫(yī)學(xué)文檔數(shù)量的迅速增長(zhǎng)，生物醫(yī)學(xué)信息抽取變得越來(lái)越重要。實(shí)體作為句子的主體，包含了豐富的語(yǔ)義信息，因此，命名實(shí)體識(shí)別在生物醫(yī)學(xué)文本的理解和處理過(guò)程中具有非常重要的意義。生物醫(yī)學(xué)命名實(shí)體識(shí)別（Biomedical Named Entity Recognition，BioNER）指識(shí)別文本中的基因、蛋白質(zhì)、化學(xué)藥品、疾病等生物醫(yī)學(xué)實(shí)體。

深度學(xué)習(xí)技術(shù)在自然語(yǔ)言處理（Natural Language Processing，NLP）中的應(yīng)用促進(jìn)了生物醫(yī)學(xué)信息抽取的發(fā)展。然而，將最先進(jìn)的NLP 方法直接應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)信息抽取時(shí)效果并不理想，一個(gè)重要原因是通用的預(yù)訓(xùn)練語(yǔ)言模型主要在包含一般領(lǐng)域文本的語(yǔ)料庫(kù)上訓(xùn)練和測(cè)試，而生物醫(yī)學(xué)語(yǔ)料庫(kù)和一般領(lǐng)域語(yǔ)料庫(kù)的詞分布有很大差異。因此，越來(lái)越多的研究人員通過(guò)在生物醫(yī)學(xué)語(yǔ)料庫(kù)上訓(xùn)練通用預(yù)訓(xùn)練語(yǔ)言模型得到生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域特定的預(yù)訓(xùn)練語(yǔ)言模型，如BioELMo［1］、KeBioLM［2］、ClinicalBERT［3］、BlueBERT［4］、SciBERT［5］、BioBERT［6］等。這些模型大多采用WordPiece 標(biāo)記化方法處理未登錄詞，即將未登錄詞以頻繁出現(xiàn)的語(yǔ)素來(lái)表示（如peri-kappa-＞per、##i、-、ka、##ppa），在很大程度上緩解了未登錄詞表示信息不足的問(wèn)題。

BioBERT 是目前在生物醫(yī)學(xué)信息抽取任務(wù)中使用最廣泛、最有效的預(yù)訓(xùn)練語(yǔ)言模型之一，它在生物醫(yī)學(xué)信息抽取的各種任務(wù)上表現(xiàn)都超過(guò)了BERT 和之前的先進(jìn)模型?，F(xiàn)有的BioNER 模型將從BioBERT 預(yù)訓(xùn)練模型獲得的語(yǔ)素嵌入表示后，或直接輸入神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練，或增加額外的特征信息后輸入神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練，而忽略了在訓(xùn)練和標(biāo)簽預(yù)測(cè)過(guò)程中可能會(huì)出現(xiàn)的如下問(wèn)題：

1）標(biāo)簽不一致問(wèn)題。一些語(yǔ)素作為獨(dú)立單詞在文本中出現(xiàn)，可能出現(xiàn)詞內(nèi)部標(biāo)簽不一致問(wèn)題，比如“peri-kappa”，其真實(shí)標(biāo)簽為“B-DNA”，在語(yǔ)素級(jí)別進(jìn)行標(biāo)簽預(yù)測(cè)時(shí)，可能會(huì)錯(cuò)誤地將其部分語(yǔ)素識(shí)別為“kappaB”蛋白質(zhì)實(shí)體的語(yǔ)素“ka”、“ppa”，則“perikappa”語(yǔ)素的標(biāo)簽類(lèi)型既有DNA 類(lèi)型又有蛋白質(zhì)類(lèi)型，最終導(dǎo)致實(shí)體識(shí)別失敗。

2）跨單詞標(biāo)簽問(wèn)題。英文單詞被拆分為語(yǔ)素后，詞之間的邊界變得模糊，從而產(chǎn)生錯(cuò)誤依賴(lài)關(guān)系，將不同單詞的語(yǔ)素識(shí)別為同一單詞的語(yǔ)素，則會(huì)導(dǎo)致實(shí)體識(shí)別錯(cuò)誤。如“CD28 signaling cascade…phospholipase A2 and 5-lipoxygenase”在進(jìn)行表示學(xué)習(xí)時(shí)，蛋白質(zhì)實(shí)體“phospholipase A2”的語(yǔ)素為“p hos ph oli pas e a2”，在標(biāo)簽預(yù)測(cè)時(shí)模型容易將“e a2”識(shí)別為疾病實(shí)體“EA2”的語(yǔ)素。

3）語(yǔ)義梯度消失問(wèn)題。將未登錄詞拆分為語(yǔ)素后，句長(zhǎng)變?yōu)樵瓉?lái)的幾倍，在使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行句子語(yǔ)義學(xué)習(xí)時(shí)容易出現(xiàn)梯度消失問(wèn)題。生物醫(yī)學(xué)數(shù)據(jù)集中存在大量的未登錄復(fù)合詞，會(huì)使得這一問(wèn)題更加突出，通過(guò)統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，單詞被拆分為語(yǔ)素后長(zhǎng)句子明顯增多，一些句子長(zhǎng)度甚至超過(guò)了500。

針對(duì)以上問(wèn)題，本文提出一種基于BiLSTMBiaffine 詞義增強(qiáng)的方法。首先經(jīng)過(guò)BioBERT 預(yù)訓(xùn)練后將單詞拆分為語(yǔ)素，得到語(yǔ)素的嵌入表示后同一單詞的語(yǔ)素間使用BiLSTM 獲取語(yǔ)素的前向和后向序列信息；然后使用Biaffine 注意力機(jī)制增強(qiáng)其關(guān)聯(lián)信息并融合為單詞表示，將單詞表示作為句子級(jí)BiLSTM 的輸入，使得文本長(zhǎng)度得到控制，有效緩解梯度消失問(wèn)題；最后以單詞作為最小單位，使用CRF序列化標(biāo)注模型獲得最終預(yù)測(cè)標(biāo)簽，規(guī)避由語(yǔ)素導(dǎo)致的詞內(nèi)部標(biāo)簽不一致和跨單詞標(biāo)簽問(wèn)題。本文的主要工作有：

1）針對(duì)預(yù)訓(xùn)練模型對(duì)語(yǔ)素進(jìn)行表示學(xué)習(xí)導(dǎo)致的標(biāo)簽不一致、跨單詞標(biāo)簽和語(yǔ)義梯度消失的問(wèn)題，本文提出BiLSTM-Biaffine 詞義增強(qiáng)方法，該方法對(duì)語(yǔ)素表示進(jìn)行融合學(xué)習(xí)，能更好地學(xué)習(xí)句子中的詞級(jí)語(yǔ)義特征。

2）設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)基于BiLSTM-Biaffine 詞義增強(qiáng)的生物醫(yī)學(xué)命名實(shí)體識(shí)別模型，通過(guò)在BC2GM（BioCreative II Gene Mention）、NCBI-Disease、BC5CDRchem 和JNLPBA 數(shù)據(jù)集上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證BiLSTMBiaffine 詞義增強(qiáng)方法的有效性。

1 相關(guān)工作

為提升BioNER 的性能，現(xiàn)有相關(guān)研究大致分為3 類(lèi)：1）通過(guò)多種神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的組合得到新的模型；2）融合多種特征信息；3）通過(guò)在生物醫(yī)學(xué)語(yǔ)料庫(kù)上訓(xùn)練現(xiàn)有預(yù)訓(xùn)練語(yǔ)言模型，得到生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域特定的預(yù)訓(xùn)練語(yǔ)言模型。

BioNER 任務(wù)通常被建模為一個(gè)序列標(biāo)記問(wèn)題，且已成功地將CRF［7］、CNN［8］、LSTM［9］等模型應(yīng)用其中。文獻(xiàn)［10］在BioNER 中將CRF 作為基礎(chǔ)的分類(lèi)方法；文獻(xiàn)［11］提出一種基于深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的BioNER方法；文 獻(xiàn)［12］將RNN 模型應(yīng)用于BioNER，通過(guò)使用大型無(wú)標(biāo)記語(yǔ)料庫(kù)來(lái)解決或緩解復(fù)雜的手工設(shè)計(jì)特征問(wèn)題；文獻(xiàn)［13］提出一種使用BiLSTM 學(xué)習(xí)正字法特征的BioNER 模型；文獻(xiàn)［14］開(kāi)發(fā)多任務(wù)CNN 模型，并將其應(yīng)用于現(xiàn)有的各種生物醫(yī)學(xué)命名實(shí)體數(shù)據(jù)集中；文獻(xiàn)［15］將BiLSTM-CRF模型用于不相交標(biāo)簽集的BioNER 任務(wù)中；文獻(xiàn)［16］將n-GRAM 與BiLSTM-CRF 模型相結(jié)合，應(yīng)用于BioNER；文獻(xiàn)［17］使用一組BiLSTM-CRF 模型構(gòu)建聯(lián)合模型，以便目標(biāo)模型從其他協(xié)作者模型中獲取信息，從而減少誤報(bào)；文獻(xiàn)［18］提出一種多任務(wù)學(xué)習(xí)框架，通過(guò)重用相應(yīng)BiLSTM 單元中的參數(shù)，來(lái)自不同數(shù)據(jù)集的輸入可以有效地共享字符和字級(jí)表示；文獻(xiàn)［19］提出基于BiLSTM-CNN-CRF 交叉共享結(jié)構(gòu)的BioNER 模型；文獻(xiàn)［20］提出DTranNER 模型，將基于CRF 和深度學(xué)習(xí)的標(biāo)簽轉(zhuǎn)換模型結(jié)合到BioNER中。

為了彌補(bǔ)單純?cè)~嵌入包含信息不足的問(wèn)題，研究人員進(jìn)行如下探索：文獻(xiàn)［21］證實(shí)了字符級(jí)嵌入的信息對(duì)詞嵌入信息有很好的補(bǔ)充作用；文獻(xiàn)［22］將深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、CRF、單詞嵌入和字符級(jí)表征相結(jié)合，進(jìn)行生物醫(yī)學(xué)命名實(shí)體識(shí)別；文獻(xiàn)［23］提出一種基于詞嵌入和字符嵌入的LSTM-RNN-CRF 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，使用注意力模型將特定領(lǐng)域的預(yù)訓(xùn)練單詞嵌入和通過(guò)字符嵌入查找表函數(shù)獲得的每個(gè)字符嵌入相結(jié)合；文獻(xiàn)［24］利用CNN 訓(xùn)練單詞以獲取具有形態(tài)特征的字符級(jí)向量，將其與從背景語(yǔ)料訓(xùn)練中得到的具有語(yǔ)義特征信息的詞向量進(jìn)行合并。此外，也有研究者通過(guò)加入其他詞匯信息來(lái)提升實(shí)體識(shí)別的性能，如：文獻(xiàn)［25］提出一種改進(jìn)的基于語(yǔ)言信息嵌入的BiLSTM 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，除了預(yù)先訓(xùn)練的單詞嵌入和字符嵌入之外，還包含了縮寫(xiě)嵌入和詞性嵌入；文獻(xiàn)［26］提出基于CNN 和LSTM 組合特征嵌入的BioNER 方法，通過(guò)整合從CNN 和BiLSTM 中提取的2 種不同的字符級(jí)表示來(lái)增強(qiáng)模型性能；文獻(xiàn)［27］使用KVMN 將語(yǔ)法信息合并到主干序列標(biāo)記器中以改進(jìn)BioNER；文獻(xiàn)［28］通過(guò)BERT 進(jìn)行語(yǔ)義提取以獲得動(dòng)態(tài)詞向量，并加入詞性分析、組塊分析特征提升模型精度；文獻(xiàn)［29］利用CNN 和BiLSTM 提取文本的字符向量，在訓(xùn)練過(guò)程中動(dòng)態(tài)計(jì)算文本單詞的2 種字符向量權(quán)重并進(jìn)行拼接，同時(shí)加入詞性信息和組塊分析作為額外特征。

由于序列模型獲取的信息在很大程度上依賴(lài)于詞嵌入中包含的信息，因此近年來(lái)越來(lái)越多的研究者將序列模型的關(guān)注點(diǎn)轉(zhuǎn)移到預(yù)訓(xùn)練語(yǔ)言模型上。常用的通用領(lǐng)域的預(yù)訓(xùn)練語(yǔ)言模型Word2Vec［30］、GloVe［31］、ELMo［32］和BERT［33］應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)文 本時(shí)，會(huì)產(chǎn)生大量的未登錄詞，而且生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的新生詞匯也在不斷增長(zhǎng)，因此，這些模型并不適用于生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。有研究者在此基礎(chǔ)上提出了專(zhuān)門(mén)應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的特定的預(yù)訓(xùn)練語(yǔ)言模型，如：文 獻(xiàn)［1］利 用PubMed 摘要訓(xùn)練ELMo得到BioELMo；文 獻(xiàn)［2］通過(guò)在PubMed 摘要上訓(xùn)練BERT 得到KeBioLM；文獻(xiàn)［3-4］通過(guò)在臨床筆記MIMIC 上訓(xùn)練BERT 分別得到了ClinicalBERT 和BlueBERT；文獻(xiàn)［5］通過(guò)生物醫(yī)學(xué)和計(jì)算機(jī)科學(xué)領(lǐng)域的論文訓(xùn)練BERT 得到了SciBERT；文獻(xiàn)［6］通過(guò)PubMed 摘要和PMC 文章訓(xùn)練得到了BioBERT。

WordPiece 技術(shù)被廣泛應(yīng)用在上述預(yù)訓(xùn)練語(yǔ)言模型中，有效緩解了缺少未登錄詞表示信息的問(wèn)題，而現(xiàn)有的BioNER 模型將從預(yù)訓(xùn)練模型獲得的語(yǔ)素嵌入表示后直接輸入神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練，或增加額外的特征信息后輸入神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練，在英文命名實(shí)體識(shí)別上依舊存在訓(xùn)練時(shí)無(wú)法充分利用子令牌標(biāo)簽信息和WordPiece 破壞單詞語(yǔ)義信息的問(wèn)題，在未登錄詞占比較高的生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，這一問(wèn)題更加突出。為此，本文提出基于BiLSTM-Biaffine 詞義增強(qiáng)的生物醫(yī)學(xué)命名實(shí)體識(shí)別方法。

2 BiLSTM-Biaffine 詞義增強(qiáng)模型

圖1 所示為基于BiLSTM-Biaffine 詞義增強(qiáng)的生物醫(yī)學(xué)命名實(shí)體識(shí)別模型整體結(jié)構(gòu)。該模型由編碼模塊、特征提取模塊和解碼模塊3 個(gè)部分組成，其中，b、i、j、o和x為張量對(duì)應(yīng)維度的數(shù)值。

圖1 BiLSTM-Biaffine 詞義增強(qiáng)模型結(jié)構(gòu)Fig.1 BiLSTM-Biaffine word meaning enhancement model structure

2.1 編碼模塊

語(yǔ)素是構(gòu)成語(yǔ)言的基本單位，也是最小的語(yǔ)法和語(yǔ)義單位。漢語(yǔ)的語(yǔ)素是漢字，而英語(yǔ)的語(yǔ)素是詞根詞綴。在英語(yǔ)中，不同的單詞可能有相同的詞根或詞綴，更能代表單詞的詞義，例如IL-2 和IL-2R都是DNA 類(lèi)型實(shí)體，都包含相同的語(yǔ)素“IL”，這有助于識(shí)別實(shí)體的類(lèi)別，同時(shí)可以使用已知語(yǔ)素表示未知的新生詞匯，有利于獲取未登錄詞的信息。在本文中，使用預(yù)訓(xùn)練版本的BioBERT 模型來(lái)獲取文本的語(yǔ)素嵌入表示。

BioBERT 是基于BERT 模型而提出的，是一種用于生物醫(yī)學(xué)文本挖掘的特定領(lǐng)域BERT，在許多生物醫(yī)學(xué)文本挖掘任務(wù)中性能表現(xiàn)優(yōu)于BERT 和以前的模型，其獲取詞嵌入的過(guò)程如圖2 所示。

在圖2 中：Wi表示句子中的第i個(gè)單詞；Wij表示第i個(gè)單詞的第j個(gè)語(yǔ)素。文本以單詞序列的形式輸入BioBERT，然后根據(jù)BioBERT 詞表將單詞拆分為語(yǔ)素，最后以語(yǔ)素為基本單位進(jìn)行編碼獲得語(yǔ)素嵌入表示。

2.2 特征提取模塊

特征提取模塊由單詞級(jí)的BiLSTM（Word-BiLSTM）和句子級(jí)的BiLSTM（Sentence-BiLSTM）構(gòu)成。單詞級(jí)的BiLSTM 用于獲取單詞內(nèi)部語(yǔ)素的序列信息，句子級(jí)的BiLSTM 用于獲取句子的上下文信息。LSTM 的計(jì)算公式如式（1）～式（6）所示：

其中：σ和tanh()為激活函數(shù)；it、ft、ot和ct分別對(duì)應(yīng)t時(shí)刻的輸入門(mén)、遺忘門(mén)、輸出門(mén)和記憶單元；?是點(diǎn)積運(yùn)算；w和b分別代表權(quán)重矩陣和偏置向量，它們的下標(biāo)表示對(duì)應(yīng)的輸入門(mén)（i）、遺忘門(mén)（f）、輸出門(mén)（o）和記憶單元（c）；xt指t時(shí)刻輸入語(yǔ)素的特征表示；ht表示t時(shí)刻的隱藏狀態(tài)。

2.2.1 BiLSTM-Biaffine

單詞被拆分為語(yǔ)素后，容易產(chǎn)生本文概述中描述的問(wèn)題并且詞的內(nèi)部信息被割裂，可能會(huì)丟失部分詞義信息，而B(niǎo)iLSTM 能夠捕獲序列信息以及關(guān)聯(lián)信息，因此，本文模型在同一單詞的語(yǔ)素間應(yīng)用BiLSTM，以獲取語(yǔ)素的前向、后向信息，使用Biaffine注意力機(jī)制加強(qiáng)語(yǔ)素間的信息交互，最終將語(yǔ)素表示融合為單詞表示，計(jì)算公式如式（7）～式（9）所示：

其中：fm表示由LSTM 獲取的第m個(gè)單詞語(yǔ)素的前向信息；bm表示由LSTM 獲取的第m個(gè)單詞語(yǔ)素的后向信息；Um和Wm是與輸入有關(guān)的矩陣；b′m是可選偏置。

2.2.2 Sentence-BiLSTM

為了獲取句子級(jí)的上下文信息，本文模型還在句子級(jí)使用BiLSTM，即Sentence-BiLSTM，將由BiLSTM-Biaffine 得到的單詞表示作為Sentence-BiLSTM 的基本單位，能夠有效控制句子長(zhǎng)度，緩解梯度消失問(wèn)題。Sentence-BiLSTM 為雙向LSTM，前向LSTM 提取每個(gè)單詞表示的上文信息，后向LSTM獲取單詞表示的下文信息。Sentence-BiLSTM在t時(shí)刻的隱藏狀態(tài)由前向和后向隱藏狀態(tài)拼接而成，如式（10）所示：

2.3 解碼模塊

NER 任務(wù)的最后一步是標(biāo)簽解碼，它接受上下文相關(guān)的表示作為輸入并生成與輸入序列對(duì)應(yīng)的標(biāo)簽序列?；贑RF 的解碼層能夠?qū)ψ罱K預(yù)測(cè)的標(biāo)簽進(jìn)行約束，彌補(bǔ)BiLSTM 無(wú)法處理相鄰標(biāo)簽之間依賴(lài)關(guān)系的缺點(diǎn)，以確保得到最合理的標(biāo)簽序列。

將BiLSTM 的輸出作為CRF 的輸入，以單詞為最小單位進(jìn)行標(biāo)簽預(yù)測(cè)，規(guī)避了在語(yǔ)素級(jí)別進(jìn)行標(biāo)簽預(yù)測(cè)而產(chǎn)生的詞內(nèi)部標(biāo)簽不一致的問(wèn)題。給定輸入X，輸出預(yù)測(cè)標(biāo)簽的得分，計(jì)算公式如式（11）所示：

其中：Ayi，yi+1是矩陣中的元素，表示標(biāo)簽yi轉(zhuǎn)移到標(biāo)簽yi+1的概率；yi表示y中的元素。在輸入X確定的情況下，y預(yù)測(cè)結(jié)果的概率計(jì)算公式如式（12）所示：

其中：y|X是所有可能的標(biāo)簽組合；y為真實(shí)標(biāo)簽。模型最終選擇p(y|X)最大的標(biāo)簽序列，這個(gè)選擇的過(guò)程通過(guò)對(duì)數(shù)似然函數(shù)實(shí)現(xiàn)。訓(xùn)練過(guò)程中的似然函數(shù)如式（13）所示：

最終從所有概率得分中通過(guò)式（14）選出概率最高的標(biāo)簽序列：

其中：Yx表示所有可能的標(biāo)簽序列組合；y*為最終的標(biāo)簽序列。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 數(shù)據(jù)集

在BC2GM、NCBI-Disease、BC5CDR-chem和JNLPBA等4 個(gè)BioNER 任務(wù)中常用的基準(zhǔn)數(shù)據(jù)集上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證本文方法在生物醫(yī)學(xué)數(shù)據(jù)集上的有效性。BC2GM 數(shù)據(jù)集由生物醫(yī)學(xué)出版物摘要中的20 128 條句子組成，并對(duì)蛋白質(zhì)、基因和相關(guān)實(shí)體的名稱(chēng)進(jìn)行了注釋。NCBI-Disease 數(shù)據(jù)集由793 篇PubMed 摘要組成，對(duì)疾病提及進(jìn)行了注釋。BC5CDR-chem 是用于BioCreative V 化學(xué)疾病關(guān)系任務(wù)的數(shù)據(jù)集，對(duì)化學(xué)實(shí)體和提及進(jìn)行了手動(dòng)注釋。JNLPBA 數(shù)據(jù)集包含了擴(kuò)展版本的生物實(shí)體識(shí)別數(shù)據(jù)集GENIA 版本3 命名實(shí)體語(yǔ)料庫(kù)中的MEDLINE 摘要，包含了“DNA”“RNA”“Protein”“cell_type”和“cell_line”這5 類(lèi)實(shí)體。各數(shù)據(jù)集的實(shí)體類(lèi)型及數(shù)量統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1 所示。

表1 數(shù)據(jù)集統(tǒng)計(jì)信息Table 1 Statistics of datasets

數(shù)據(jù)集采用“B-實(shí)體類(lèi)型”“I-實(shí)體類(lèi)型”和“O”標(biāo)簽進(jìn)行標(biāo)記，使用“B-實(shí)體類(lèi)型”標(biāo)簽標(biāo)注實(shí)體的開(kāi)始，“I-實(shí)體類(lèi)型”標(biāo)簽標(biāo)注組成實(shí)體的中間部分，“O”標(biāo)簽標(biāo)注與實(shí)體無(wú)關(guān)的信息。

3.2 評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)

實(shí)驗(yàn)采用精確率（P）、召回率（R）和F1 值（F1）3 種測(cè)評(píng)指標(biāo)，具體計(jì)算公式如式（15）～式（17）所示：

其中：Tp、Fp、Fn分別表示正確識(shí)別的實(shí)體個(gè)數(shù)、錯(cuò)誤識(shí)別的實(shí)體個(gè)數(shù)和識(shí)別出的實(shí)體總數(shù)量。

3.3 實(shí)驗(yàn)設(shè)置

本文使用預(yù)訓(xùn)練版本的BioBERT 模型，所有的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型都是基于PyTorch 實(shí)現(xiàn)的，優(yōu)化器采用Adam 算法。實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置如表2 所示。

表2 實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置Table 2 Experimental parameters setting

3.4 結(jié)果分析

為了驗(yàn)證本文模型的有效性，分別在BC2GM、NCBI-Disease、BC5CDR-chem 和JNLPBA 數(shù)據(jù)集上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，將本文模型與近年來(lái)BioNER 領(lǐng)域具有代表性的序列標(biāo)注模型進(jìn)行對(duì)比，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3 所示，最優(yōu)結(jié)果加粗標(biāo)注。

表3 不同模型的對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 3 Comparative experimental results of different models %

在表3 中：MTM-CW 模型是文獻(xiàn)［18］提出的融合單詞和字符信息的多任務(wù)學(xué)習(xí)模型；文獻(xiàn)［34］提出的MT-BioNER 模型結(jié)合了BioBERT 和多任務(wù)學(xué)習(xí)；MTL 是文獻(xiàn)［35］提出的機(jī)器閱讀理解模型。以上模型的實(shí)驗(yàn)結(jié)果均采用了原文獻(xiàn)中的最優(yōu)結(jié)果。

從表3 可以看出，BiLSTM-Biaffine 相較于對(duì)比模型取得了更優(yōu)的性能，在BC2GM、NCBI-Disease、BC5CDR-chem 和JNLPBA 數(shù)據(jù)集上的F1平均分別提升了2.99、1.84、3.09 和1.03 個(gè)百分點(diǎn)，并且在數(shù)據(jù)集BC2GM、NCBI-Disease 和BC5CDR-chem 上的精確率和召回率也都高于對(duì)比模型。這主要是因?yàn)橐韵略颍?/p>

1）BiLSTM-Biaffine 能夠獲取BioBERT語(yǔ)素的序列信息以及關(guān)聯(lián)信息。對(duì)比模型雖然均使用BioBERT 預(yù)訓(xùn)練模型，但是丟失了語(yǔ)素的序列信息和關(guān)聯(lián)信息，BiLSTM 能夠獲取語(yǔ)素的序列信息，Biaffine 注意力機(jī)制加強(qiáng)了其關(guān)聯(lián)并融合為單詞表示。

2）BiLSTM-Biaffine 結(jié)構(gòu)能夠有效利用豐富的語(yǔ)素信息增強(qiáng)詞義表示。字符信息相較于語(yǔ)素包含的信息較少，多任務(wù)學(xué)習(xí)和機(jī)器閱讀理解無(wú)法針對(duì)性地增強(qiáng)詞義信息，而詞義信息對(duì)于表示信息相對(duì)匱乏的生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域是至關(guān)重要的。

3）獲取語(yǔ)素的表示信息后將其重新融合為單詞表示，不僅解決了未登錄詞表示信息不足的問(wèn)題，而且句子長(zhǎng)度得到控制，緩解了梯度消失問(wèn)題。在單詞級(jí)別進(jìn)行標(biāo)簽預(yù)測(cè)，規(guī)避了在語(yǔ)素標(biāo)簽預(yù)測(cè)過(guò)程中出現(xiàn)的標(biāo)簽不一致和跨單詞標(biāo)簽問(wèn)題。

為了驗(yàn)證Biaffine 注意力機(jī)制的有效性，將其分別與自注意力機(jī)制（Self-Attention）、多頭注意力機(jī)制（Multi-Attention）進(jìn)行對(duì)比，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

表4 不同注意力機(jī)制的對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 4 Comparative experimental results of different attention mechanisms %

從表4 可以看出，相較于Biaffine 注意力機(jī)制，Self-Attention 和Multi-Attention 并不能有效提升模型的性能。原因如下：雙仿射注意力機(jī)制可以進(jìn)行語(yǔ)素間的信息交互，能夠增強(qiáng)同一單詞語(yǔ)素間的內(nèi)部關(guān)聯(lián)信息；自注意力機(jī)制和多頭注意力機(jī)制主要關(guān)注怎樣從所給輸入中捕獲重要語(yǔ)義特征，在信息量較少的情況下無(wú)法發(fā)揮作用。

以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明，相較于融合字符信息、多任務(wù)學(xué)習(xí)、機(jī)器閱讀理解等常用的BioNER 方法，BiLSTM-Biaffine 詞義增強(qiáng)方法能夠捕獲更多的詞義信息，使得BioNER 具有更高的準(zhǔn)確性。同時(shí)，與自注意力和多頭注意力機(jī)制的對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果也驗(yàn)證了Biaffine 注意力機(jī)制的有效性。

3.5 消融實(shí)驗(yàn)

為了進(jìn)一步驗(yàn)證BiLSTM-Biaffine 方法的有效性，本文設(shè)計(jì)消融實(shí)驗(yàn)。在相同的實(shí)驗(yàn)環(huán)境下，對(duì)比BioBERT（模型1）、BioBERT-BiLSTM-CRF（模型2）和BioBERT-BiLSTM-Biaffine-BiLSTM-CRF（模 型3）在數(shù)據(jù)集BC2GM、NCBI-Disease、BC5CDR-chem 和JNLPBA 上的性能，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表5 所示。

表5 消融實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 5 Results of ablation experiment %

從表5 可以看出，在BC2GM、NCBI-Disease、BC5CDR-chem 和JNLPBA 數(shù)據(jù)集上，模型3的F1相較于模型1 平均分別提高 了1.99、3.31、1.92 和1.36 個(gè)百分點(diǎn)，相較于模型2 平均分別提高了0.98、0.99、0.55 和1.36 個(gè)百分點(diǎn)。

對(duì)模型2 與模型3 達(dá)到最優(yōu)性能所需要的訓(xùn)練批次進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如圖3 所示。從圖3 可以看出，模型3 在4 個(gè)數(shù)據(jù)集上的訓(xùn)練批次均小于模型2，即模型3 具有更快的收斂速度，同時(shí)也驗(yàn)證了BiLSTM-Biaffine 結(jié)構(gòu)能夠有效緩解梯度消失問(wèn)題。

相較于BioBERT 命名實(shí)體識(shí)別模型和BioBERT預(yù)訓(xùn)練與BiLSTM-CRF 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型相結(jié)合的命名實(shí)體識(shí)別模型，本文BioBERT-BiLSTM-Biaffine-BiLSTM-CRF 模型在不使用其他特征信息的情況下取得了更優(yōu)的性能，并且收斂速度更快，驗(yàn)證了基于BiLSTM-Biaffine 詞義增強(qiáng)方法的有效性。

4 結(jié)束語(yǔ)

生物醫(yī)學(xué)命名實(shí)體識(shí)別作為生物醫(yī)學(xué)文本信息的基礎(chǔ)任務(wù)之一，對(duì)于醫(yī)療事業(yè)的發(fā)展有著至關(guān)重要的作用。本文從生物醫(yī)學(xué)數(shù)據(jù)的特殊性出發(fā)，提出一種BiLSTM-Biaffine 詞義增強(qiáng)方法，以有效利用語(yǔ)素來(lái)解決未登錄詞的表示問(wèn)題，同時(shí)避免由于語(yǔ)素過(guò)多導(dǎo)致的文本過(guò)長(zhǎng)、標(biāo)簽不一致和跨單詞標(biāo)簽問(wèn)題。通過(guò)BioBERT 預(yù)訓(xùn)練模型獲得語(yǔ)素嵌入表示，使用BiLSTM-Biaffine 方法獲取語(yǔ)素的序列信息以及完整的單詞信息，利用BiLSTM-CRF 模型獲取最終的預(yù)測(cè)標(biāo)簽序列。在BC2GM、NCBI-Disease、BC5CDR-chem 和JNLPBA 等4 個(gè)BioNER 任務(wù)常用基準(zhǔn)數(shù)據(jù)集上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明，BiLSTM-Biaffine詞義增強(qiáng)方法能夠有效提升BioNER 的性能。下一步考慮將BiLSTM-Biaffine 方法應(yīng)用到其他NER 模型中，并探究一種性能更優(yōu)的語(yǔ)素融合方法。