背景：基于AI的足够大型，精心策划的医疗数据集的分析已被证明有望提供早期检测，更快的诊断，更好的决策和更有效的治疗方法。但是，从多种来源获得的如此高度机密且非常敏感的医疗数据通常受到高度限制，因为不当使用，不安全的存储，数据泄漏或滥用可能侵犯了一个人的隐私。在这项工作中，我们将联合学习范式应用于异质的，孤立的高清心电图集，该图从12铅的ECG传感器阵列到达来训练AI模型。与在中心位置收集相同的数据时，我们评估了所得模型的能力，与经过训练的最新模型相比，获得了等效性能。方法：我们提出了一种基于联合学习范式训练AI模型的隐私方法，以培训AI模型，以实现异质，分布式，数据集。该方法应用于基于梯度增强，卷积神经网络和具有长期短期记忆的复发神经网络的广泛机器学习技术。这些模型在一个心电图数据集上进行了培训，该数据集包含从六名地理分开和异质来源的43,059名患者收集的12个铅录音。研究结果：用于检测心血管异常的AI模型的结果集获得了与使用集中学习方法训练的模型相当的预测性能。解释：计算参数的方法在本地为全局模型做出了贡献，然后仅交换此类参数，而不是ML中的整个敏感数据，这有助于保留医疗数据隐私。
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深度学习在使用心电图（ECG）数据分类不同的心律失常方面发挥着重要作用。然而，培训深入学习模型通常需要大量数据，它可能导致隐私问题。不幸的是，无法从单个筒仓中容易地收集大量的医疗保健数据。此外，深度学习模型就像黑盒子，没有解释的预测结果，通常在临床医疗保健中需要。这限制了深度学习在现实世界卫生系统中的应用。在本文中，我们设计了一种基于ECG的医疗保健应用的联邦设置的新的可解释的人工智能（XAI）的深度学习框架。联合设置用于解决数据可用性和隐私问题等问题。此外，所提出的框架设置有效地根据卷积神经网络（CNN）使用AutoEncoder和分类器来分类心律失常。此外，我们提出了一个基于XAI的模块，在拟议的分类器的顶部上解释了分类结果，帮助临床从业者做出快速可靠的决策。拟议的框架是使用MIT-BIH心律失常数据库进行培训和测试。分类器可分别使用噪声和清洁数据进行高达94％和98％的精度，使用嘈杂和清洁数据，具有五倍的交叉验证。
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通信技术和互联网的最新进展与人工智能（AI）启用了智能医疗保健。传统上，由于现代医疗保健网络的高性性和日益增长的数据隐私问题，AI技术需要集中式数据收集和处理，这可能在现实的医疗环境中可能是不可行的。作为一个新兴的分布式协作AI范例，通过协调多个客户（例如，医院）来执行AI培训而不共享原始数据，对智能医疗保健特别有吸引力。因此，我们对智能医疗保健的使用提供了全面的调查。首先，我们在智能医疗保健中展示了近期进程，动机和使用FL的要求。然后讨论了近期智能医疗保健的FL设计，从资源感知FL，安全和隐私感知到激励FL和个性化FL。随后，我们对关键医疗领域的FL新兴应用提供了最先进的综述，包括健康数据管理，远程健康监测，医学成像和Covid-19检测。分析了几个最近基于智能医疗保健项目，并突出了从调查中学到的关键经验教训。最后，我们讨论了智能医疗保健未来研究的有趣研究挑战和可能的指示。
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随着物联网，AI和ML/DL算法的出现，数据驱动的医疗应用已成为一种有前途的工具，用于从医学数据设计可靠且可扩展的诊断和预后模型。近年来，这引起了从学术界到工业的广泛关注。这无疑改善了医疗保健提供的质量。但是，由于这些基于AI的医疗应用程序在满足严格的安全性，隐私和服务标准（例如低延迟）方面的困难，因此仍然采用较差。此外，医疗数据通常是分散的和私人的，这使得在人群之间产生强大的结果具有挑战性。联邦学习（FL）的最新发展使得以分布式方式训练复杂的机器学习模型成为可能。因此，FL已成为一个积极的研究领域，尤其是以分散的方式处理网络边缘的医疗数据，以保护隐私和安全问题。为此，本次调查论文重点介绍了数据共享是重大负担的医疗应用中FL技术的当前和未来。它还审查并讨论了当前的研究趋势及其设计可靠和可扩展模型的结果。我们概述了FL将军的统计问题，设备挑战，安全性，隐私问题及其在医疗领域的潜力。此外，我们的研究还集中在医疗应用上，我们重点介绍了全球癌症的负担以及有效利用FL来开发计算机辅助诊断工具来解决这些诊断工具。我们希望这篇评论是一个检查站，以彻底的方式阐明现有的最新最新作品，并为该领域提供开放的问题和未来的研究指示。
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医学事物互联网（IOMT）允许使用传感器收集生理数据，然后将其传输到远程服务器，这使医生和卫生专业人员可以连续，永久地分析这些数据，并在早期阶段检测疾病。但是，使用无线通信传输数据将其暴露于网络攻击中，并且该数据的敏感和私人性质可能代表了攻击者的主要兴趣。在存储和计算能力有限的设备上使用传统的安全方法无效。另一方面，使用机器学习进行入侵检测可以对IOMT系统的要求提供适应性的安全响应。在这种情况下，对基于机器学习（ML）的入侵检测系统如何解决IOMT系统中的安全性和隐私问题的全面调查。为此，提供了IOMT的通用三层体系结构以及IOMT系统的安全要求。然后，出现了可能影响IOMT安全性的各种威胁，并确定基于ML的每个解决方案中使用的优势，缺点，方法和数据集。最后，讨论了在IOMT的每一层中应用ML的一些挑战和局限性，这些挑战和局限性可以用作未来的研究方向。
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这项工作调查了联合学习的可能性，了解IOT恶意软件检测，并研究该新学习范式固有的安全问题。在此上下文中，呈现了一种使用联合学习来检测影响物联网设备的恶意软件的框架。 n-baiot，一个数据集在由恶意软件影响的几个实际物联网设备的网络流量，已被用于评估所提出的框架。经过培训和评估监督和无监督和无监督的联邦模型（多层Perceptron和AutoEncoder）能够检测到MATEN和UNEEN的IOT设备的恶意软件，并进行了培训和评估。此外，它们的性能与两种传统方法进行了比较。第一个允许每个参与者在本地使用自己的数据局面训练模型，而第二个包括使参与者与负责培训全局模型的中央实体共享他们的数据。这种比较表明，在联合和集中方法中完成的使用更多样化和大数据，对模型性能具有相当大的积极影响。此外，联邦模型，同时保留了参与者的隐私，将类似的结果与集中式相似。作为额外的贡献，并衡量联邦方法的稳健性，已经考虑了具有若干恶意参与者中毒联邦模型的对抗性设置。即使使用单个对手，大多数联邦学习算法中使用的基线模型聚合平均步骤也很容易受到不同攻击的影响。因此，在相同的攻击方案下评估了作为对策的其他模型聚合函数的性能。这些职能对恶意参与者提供了重大改善，但仍然需要更多的努力来使联邦方法强劲。
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近年来，全球医学事物（IOMT）行业已经以极大的速度发展。由于IOMT网络的庞大规模和部署，安全和隐私是IOMT的关键问题。机器学习（ML）和区块链（BC）技术已大大提高了Healthcare 5.0的功能和设施，并产生了一个名为“ Smart Healthcare”的新领域。通过早期确定问题，智能医疗保健系统可以帮助避免长期损害。这将提高患者的生活质量，同时减少压力和医疗保健费用。 IOMT在信息技术领域中启用了一系列功能，其中之一是智能和互动的医疗保健。但是，将医疗数据合并到单个存储位置以训练强大的机器学习模型，这引起了人们对隐私，所有权和更加集中的遵守的担忧。联合学习（FL）通过利用集中式聚合服务器来传播全球学习模型，从而克服了前面的困难。同时，本地参与者可以控制患者信息，从而确保数据机密性和安全性。本文对与医疗保健中联邦学习纠缠的区块链技术的发现进行了全面分析。 5.0。这项研究的目的是利用区块链技术和入侵检测系统（IDS）在医疗保健5.0中构建安全的健康监测系统，以检测医疗保健网络中的任何恶意活动，并使医生能够通过医疗传感器监控患者并采取必要的措施。定期通过预测疾病。
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人类活动识别（HAR）是一项机器学习任务，在包括医疗保健在内的许多领域中进行了应用，但事实证明这是一个具有挑战性的研究问题。在医疗保健中，它主要用作老年护理的辅助技术，通常与其他相关技术（例如物联网）一起使用，因为可以在智能手机，可穿戴设备，环境环境等物联网设备的帮助下实现HAR和体内传感器。在集中式和联合环境中，已将卷积神经网络（CNN）和经常性神经网络（RNN）等深神网络技术（CNN）和复发性神经网络（RNN）用于HAR。但是，这些技术有一定的局限性：RNN不能轻易平行，CNN具有序列长度的限制，并且两者在计算上都很昂贵。此外，在面对诸如医疗保健等敏感应用程序时，集中式方法存在隐私问题。在本文中，为了解决HAR面临的一些现有挑战，我们根据惯性传感器提出了一种新颖的单块变压器，可以将RNN和CNN的优势结合在一起而无需其主要限制。我们设计了一个测试床来收集实时人类活动数据，并使用数据来训练和测试拟议的基于变压器的HAR分类器。我们还建议转移：使用拟议的变压器解决隐私问题的基于联合学习的HAR分类器。实验结果表明，在联合和集中设置中，该提出的解决方案优于基于CNN和RNN的最先进的HAR分类器。此外，拟议的HAR分类器在计算上是便宜的，因为它使用的参数少于现有的CNN/RNN分类器。
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联合学习（FL）是一个系统，中央聚合器协调多个客户解决机器学习问题的努力。此设置允许分散培训数据以保护隐私。本文的目的是提供针对医疗保健的FL系统的概述。 FL在此根据其框架，架构和应用程序进行评估。这里显示的是，FL通过中央聚合器服务器通过共享的全球深度学习（DL）模型解决了前面的问题。本文研究了最新的发展，并提供了来自FL研究的快速增长的启发，列出了未解决的问题。在FL的背景下，描述了几种隐私方法，包括安全的多方计算，同态加密，差异隐私和随机梯度下降。此外，还提供了对各种FL类的综述，例如水平和垂直FL以及联合转移学习。 FL在无线通信，服务建议，智能医学诊断系统和医疗保健方面有应用，本文将在本文中进行讨论。我们还对现有的FL挑战进行了彻底的审查，例如隐私保护，沟通成本，系统异质性和不可靠的模型上传，然后是未来的研究指示。
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远程患者监测（RPM）系统的最新进展可以识别各种人类活动，以测量生命体征，包括浅表血管的细微运动。通过解决已知的局限性和挑战（例如预测和分类生命体征和身体运动），将人工智能（AI）应用于该领域的医疗保健领域越来越兴趣，这些局限性和挑战被认为是至关重要的任务。联合学习是一种相对较新的AI技术，旨在通过分散传统的机器学习建模来增强数据隐私。但是，传统的联合学习需要在本地客户和全球服务器上培训相同的建筑模型。由于缺乏本地模型异质性，这限制了全球模型体系结构。为了克服这一点，在本研究中提出了一个新颖的联邦学习体系结构Fedstack，该体系支持结合异构建筑客户端模型。这项工作提供了一个受保护的隐私系统，用于以分散的方法住院的住院患者，并确定最佳传感器位置。提出的体系结构被应用于从10个不同主题的移动健康传感器基准数据集中，以对12个常规活动进行分类。对单个主题数据培训了三个AI模型ANN，CNN和BISTM。联合学习体系结构应用于这些模型，以建立能够表演状态表演的本地和全球模型。本地CNN模型在每个主题数据上都优于ANN和BI-LSTM模型。与同质堆叠相比，我们提出的工作表明，当地模型的异质堆叠表现出更好的性能。这项工作为建立增强的RPM系统奠定了基础，该系统纳入了客户隐私，以帮助对急性心理健康设施中患者进行临床观察，并最终有助于防止意外死亡。
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联合学习（FL）和分裂学习（SL）是两种新兴的协作学习方法，可能会极大地促进物联网（IoT）中无处不在的智能。联合学习使机器学习（ML）模型在本地培训的模型使用私人数据汇总为全球模型。分裂学习使ML模型的不同部分可以在学习框架中对不同工人进行协作培训。联合学习和分裂学习，每个学习都有独特的优势和各自的局限性，可能会相互补充，在物联网中无处不在的智能。因此，联合学习和分裂学习的结合最近成为一个活跃的研究领域，引起了广泛的兴趣。在本文中，我们回顾了联合学习和拆分学习方面的最新发展，并介绍了有关最先进技术的调查，该技术用于将这两种学习方法组合在基于边缘计算的物联网环境中。我们还确定了一些开放问题，并讨论了该领域未来研究的可能方向，希望进一步引起研究界对这个新兴领域的兴趣。
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联合学习（FL）可以对机器学习模型进行分布式培训，同时将个人数据保存在用户设备上。尽管我们目睹了FL在移动传感领域的越来越多的应用，例如人类活动识别（HAR），但在多设备环境（MDE）的背景下，尚未对FL进行研究，其中每个用户都拥有多个数据生产设备。随着移动设备和可穿戴设备的扩散，MDE在Ubicomp设置中越来越受欢迎，因此需要对其中的FL进行研究。 MDE中的FL的特征是在客户和设备异质性的存在中并不复杂，并不是独立的，并且在客户端之间并非独立分布（非IID）。此外，确保在MDE中有效利用佛罗里达州客户的系统资源仍然是一个重要的挑战。在本文中，我们提出了以用户为中心的FL培训方法来应对MDE中的统计和系统异质性，并在设备之间引起推理性能的一致性。火焰功能（i）以用户为中心的FL培训，利用同一用户的设备之间的时间对齐； （ii）准确性和效率感知设备的选择； （iii）对设备的个性化模型。我们还提出了具有现实的能量流量和网络带宽配置文件的FL评估测试，以及一种基于类的新型数据分配方案，以将现有HAR数据集扩展到联合设置。我们在三个多设备HAR数据集上的实验结果表明，火焰的表现优于各种基准，F1得分高4.3-25.8％，能源效率提高1.02-2.86倍，并高达2.06倍的收敛速度，以通过FL的公平分布来获得目标准确性工作量。
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联邦学习一直是一个热门的研究主题，使不同组织的机器学习模型的协作培训在隐私限制下。随着研究人员试图支持更多具有不同隐私方法的机器学习模型，需要开发系统和基础设施，以便于开发各种联合学习算法。类似于Pytorch和Tensorflow等深度学习系统，可以增强深度学习的发展，联邦学习系统（FLSS）是等效的，并且面临各个方面的面临挑战，如有效性，效率和隐私。在本调查中，我们对联合学习系统进行了全面的审查。为实现流畅的流动和引导未来的研究，我们介绍了联合学习系统的定义并分析了系统组件。此外，我们根据六种不同方面提供联合学习系统的全面分类，包括数据分布，机器学习模型，隐私机制，通信架构，联合集市和联合的动机。分类可以帮助设计联合学习系统，如我们的案例研究所示。通过系统地总结现有联合学习系统，我们展示了设计因素，案例研究和未来的研究机会。
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Data-driven Machine Learning has emerged as a promising approach for building accurate and robust statistical models from medical data, which is collected in huge volumes by modern healthcare systems. Existing medical data is not fully exploited by ML primarily because it sits in data silos and privacy concerns restrict access to this data. However, without access to sufficient data, ML will be prevented from reaching its full potential and, ultimately, from making the transition from research to clinical practice. This paper considers key factors contributing to this issue, explores how Federated Learning (FL) may provide a solution for the future of digital health and highlights the challenges and considerations that need to * Disclaimer: The opinions expressed herein are those of the authors and do not necessarily represent those of the institutions they are affiliated with, e.g. the U.S. Department of Health and Human Services or the National Institutes of Health. This is a pre-print version of https://www.nature.com/articles/s41746-020-00323-1 be addressed.
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为了满足下一代无线通信网络的极其异构要求，研究界越来越依赖于使用机器学习解决方案进行实时决策和无线电资源管理。传统的机器学习采用完全集中的架构，其中整个培训数据在一个节点上收集，即云服务器，显着提高了通信开销，并提高了严重的隐私问题。迄今为止，最近提出了作为联合学习（FL）称为联合学习的分布式机器学习范式。在FL中，每个参与边缘设备通过使用自己的培训数据列举其本地模型。然后，通过无线信道，本地训练模型的权重或参数被发送到中央ps，聚合它们并更新全局模型。一方面，FL对优化无线通信网络的资源起着重要作用，另一方面，无线通信对于FL至关重要。因此，FL和无线通信之间存在“双向”关系。虽然FL是一个新兴的概念，但许多出版物已经在FL的领域发表了发布及其对下一代无线网络的应用。尽管如此，我们注意到没有任何作品突出了FL和无线通信之间的双向关系。因此，本调查纸的目的是通过提供关于FL和无线通信之间的相互依存性的及时和全面的讨论来弥合文学中的这种差距。
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使用人工智能（AI）赋予无线网络中数据量的前所未有的数据量激增，为提供无处不在的数据驱动智能服务而开辟了新的视野。通过集中收集数据集和培训模型来实现传统的云彩中心学习（ML）基础的服务。然而，这种传统的训练技术包括两个挑战：（i）由于数据通信增加而导致的高通信和能源成本，（ii）通过允许不受信任的各方利用这些信息来威胁数据隐私。最近，鉴于这些限制，一种新兴的新兴技术，包括联合学习（FL），以使ML带到无线网络的边缘。通过以分布式方式培训全局模型，可以通过FL Server策划的全局模型来提取数据孤岛的好处。 FL利用分散的数据集和参与客户的计算资源，在不影响数据隐私的情况下开发广义ML模型。在本文中，我们介绍了对FL的基本面和能够实现技术的全面调查。此外，提出了一个广泛的研究，详细说明了无线网络中的流体的各种应用，并突出了他们的挑战和局限性。进一步探索了FL的疗效，其新兴的前瞻性超出了第五代（B5G）和第六代（6G）通信系统。本调查的目的是在关键的无线技术中概述了流动的技术，这些技术将作为建立对该主题的坚定了解的基础。最后，我们向未来的研究方向提供前进的道路。
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近年来，随着传感器和智能设备的广泛传播，物联网（IoT）系统的数据生成速度已大大增加。在物联网系统中，必须经常处理，转换和分析大量数据，以实现各种物联网服务和功能。机器学习（ML）方法已显示出其物联网数据分析的能力。但是，将ML模型应用于物联网数据分析任务仍然面临许多困难和挑战，特别是有效的模型选择，设计/调整和更新，这给经验丰富的数据科学家带来了巨大的需求。此外，物联网数据的动态性质可能引入概念漂移问题，从而导致模型性能降解。为了减少人类的努力，自动化机器学习（AUTOML）已成为一个流行的领域，旨在自动选择，构建，调整和更新机器学习模型，以在指定任务上实现最佳性能。在本文中，我们对Automl区域中模型选择，调整和更新过程中的现有方法进行了审查，以识别和总结将ML算法应用于IoT数据分析的每个步骤的最佳解决方案。为了证明我们的发现并帮助工业用户和研究人员更好地实施汽车方法，在这项工作中提出了将汽车应用于IoT异常检测问题的案例研究。最后，我们讨论并分类了该领域的挑战和研究方向。
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尽管结果令人印象深刻，但深度学习的技术还引起了经常在数据中心进行的培训程序引起的严重隐私和环境问题。作为回应，已经出现了集中培训的替代方案，例如联邦学习（FL）。也许出乎意料的是，FL开始在全球范围内部署，这些公司必须遵守源自倡导隐私保护的政府和社会团体的新法律要求和政策。 \ textit {但是，与FL有关的潜在环境影响仍然不清楚和未开发。本文提供了有关佛罗里达碳足迹的首次系统研究。然后，我们将FL的碳足迹与传统的集中学习进行了比较。我们的发现表明，根据配置，FL可以比集中的机器学习高达两个数量级。但是，在某些情况下，由于嵌入式设备的能源消耗减少，它可以与集中学习相提并论。我们使用FL进行了不同类型的数据集，设置和各种深度学习模型的广泛实验。最后，我们强调并将报告的结果与FL的未来挑战和趋势联系起来，以减少其环境影响，包括算法效率，硬件能力和更强的行业透明度。
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近年来经历的计算设备部署爆炸，由诸如互联网（物联网）和5G的技术（IOT）和5G等技术的激励，导致了全局情景，随着网络安全的风险和威胁的增加。其中，设备欺骗和模糊的网络攻击因其影响而脱颖而出，并且通常需要推出的低复杂性。为了解决这个问题，已经出现了几种解决方案，以根据行为指纹和机器/深度学习（ML / DL）技术的组合来识别设备模型和类型。但是，这些解决方案不适合数据隐私和保护的方案，因为它们需要数据集中处理以进行处理。在这种情况下，尚未完全探索较新的方法，例如联合学习（FL），特别是当恶意客户端存在于场景设置时。目前的工作分析并比较了使用基于执行时间的事件的v一体的集中式DL模型的设备模型识别性能。对于实验目的，已经收集并公布了属于四种不同模型的55个覆盆子PI的执行时间特征的数据集。使用此数据集，所提出的解决方案在两个设置，集中式和联合中实现了0.9999的精度，在保留数据隐私时显示没有性能下降。后来，使用几种聚集机制作为对策，评估标签翻转攻击在联邦模型训练期间的影响。 ZENO和协调明智的中值聚合表现出最佳性能，尽管当他们的性能大大降低时，当完全恶意客户（所有培训样本中毒）增长超过50％时大大降临。
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心电图（ECG）是用于监测心脏电信号和评估其功能的最常见和常规诊断工具。人心脏可能患有多种疾病，包括心律不齐。心律不齐是一种不规则的心律，在严重的情况下会导致心脏中风，可以通过ECG记录诊断。由于早期发现心律不齐非常重要，因此在过去的几十年中，计算机化和自动化的分类以及这些异常心脏信号的识别引起了很多关注。方法：本文引入了一种轻度的深度学习方法，以高精度检测8种不同的心律不齐和正常节奏。为了利用深度学习方法，将重新采样和基线徘徊清除技术应用于ECG信号。在这项研究中，将500个样本ECG段用作模型输入。节奏分类是通过11层网络以端到端方式完成的，而无需手工制作的手动功能提取。结果：为了评估提出的技术，从两个Physionet数据库，MIT-BIH心律失常数据库和长期AF数据库中选择了ECG信号。基于卷积神经网络（CNN）和长期记忆（LSTM）的组合，提出的深度学习框架比大多数最先进的方法显示出令人鼓舞的结果。所提出的方法达到98.24％的平均诊断准确性。结论：成功开发和测试了使用多种心电图信号的心律失常分类的训练有素的模型。意义：由于本工作使用具有高诊断精度的光分类技术与其他值得注意的方法相比，因此可以在Holter Monitor设备中成功实施以进行心律失常检测。
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