Stochastic Channel-Based Federated Learning With Neural Network Pruning for Medical Data Privacy Preservation: Model Development and Experimental Validation
Notice bibliographique
Résumé
BACKGROUND: Artificial neural networks have achieved unprecedented success in the medical domain. This success depends on the availability of massive and representative datasets. However, data collection is often prevented by privacy concerns, and people want to take control over their sensitive information during both the training and using processes. OBJECTIVE: To address security and privacy issues, we propose a privacy-preserving method for the analysis of distributed medical data. The proposed method, termed stochastic channel-based federated learning (SCBFL), enables participants to train a high-performance model cooperatively and in a distributed manner without sharing their inputs. METHODS: We designed, implemented, and evaluated a channel-based update algorithm for a central server in a distributed system. The update algorithm will select the channels with regard to the most active features in a training loop, and then upload them as learned information from local datasets. A pruning process, which serves as a model accelerator, was further applied to the algorithm based on the validation set. RESULTS: We constructed a distributed system consisting of 5 clients and 1 server. Our trials showed that the SCBFL method can achieve an area under the receiver operating characteristic curve (AUC-ROC) of 0.9776 and an area under the precision-recall curve (AUC-PR) of 0.9695 with only 10% of channels shared with the server. Compared with the federated averaging algorithm, the proposed SCBFL method achieved a 0.05388 higher AUC-ROC and 0.09695 higher AUC-PR. In addition, our experiment showed that 57% of the time is saved by the pruning process with only a reduction of 0.0047 in AUC-ROC performance and a reduction of 0.0068 in AUC-PR performance. CONCLUSIONS: In this experiment, our model demonstrated better performance and a higher saturating speed than the federated averaging method, which reveals all of the parameters of local models to the server. The saturation rate of performance could be promoted by introducing a pruning process and further improvement could be achieved by tuning the pruning rate.
Récupéré en direct depuis OpenAlex et désinversé. Les résumés ne sont pas conservés dans cette base de données : les index inversés représentent 8,6 Go des 9,3 Go de texte de la base, et le serveur dispose de 13 Go libres.
Comment cette classification a été obtenuedéplier
Prédiction machine sur la base complète
Imitation des enseignantsNi prévalence calibrée, ni vérité terrain. Validation humaine à venir. Le volet Gemma est une étiquette directe du modèle pour chaque travail de la base, lue sur la notice réduite au titre. Le volet Codex est un classifieur appris des 10 348 étiquettes directes de Codex et calibré sur les taux pondérés de l'échantillon; les champs sans appui suffisant ne portent aucun appel Codex. Le mode candidate est l'union des deux volets; le consensus est leur intersection. Ces sorties portent le statut machine_predicted_unvalidated et ne sont pas des étiquettes humaines.
Scores du classifieur distillé par catégorie (deux têtes)
| Catégorie | Codex | Gemma |
|---|---|---|
| Métarecherche | 0,005 | 0,012 |
| Méta-épidémiologie (sens strict) | 0,001 | 0,000 |
| Méta-épidémiologie (sens large) | 0,001 | 0,001 |
| Bibliométrie | 0,001 | 0,001 |
| Études des sciences et des technologies | 0,001 | 0,001 |
| Communication savante | 0,001 | 0,001 |
| Science ouverte | 0,002 | 0,001 |
| Intégrité de la recherche | 0,001 | 0,002 |
| Charge utile insuffisante (le modèle a refusé de juger) | 0,001 | 0,000 |
Scores machine (provisoires)
Les deux têtes enseignantes du modèle étudiant, lues sur ce travail. Un score ordonne la base pour la relecture; il n'affirme jamais une catégorie, et le statut de validation accompagne chaque rangée tel quel.
Scores de référence d'un modèle non mature (critères de maturité non atteints, 7 itérations). Un score ordonne; il n'affirme jamais une catégorie.
score_only:v0-immature-baseline · tel quel depuis la passe de notation : score_only signifie que le nombre peut ordonner les travaux, et qu'aucune étiquette de catégorie n'en découleClassification
machine, non validéePrédiction automatique; un appel candidat d’une seule source (Gemma direct ou Codex distillé), pas un consensus.
Le détail, modèle par modèle et score par score, se trouve en fin de page sous « Comment cette classification a été obtenue ».