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目前，在醫(yī)療物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境中，聯(lián)邦學(xué)習(xí)面臨著兩大挑戰(zhàn)：各參與者數(shù)據(jù)量分布不平衡和各參與者計(jì)算資源不均衡的問題。這兩個(gè)挑戰(zhàn)使得各方參與者在進(jìn)行本地模型訓(xùn)練時(shí)，面臨著訓(xùn)練時(shí)間過(guò)長(zhǎng)的問題，從而顯著地降低了訓(xùn)練過(guò)程的計(jì)算效率。另外，在醫(yī)療物聯(lián)網(wǎng)中，參與設(shè)備規(guī)模龐大、通信環(huán)境復(fù)雜。設(shè)備管理、通信管理以及模型部署等問題也隨之而來(lái)，這些問題限制了聯(lián)邦學(xué)習(xí)在實(shí)際醫(yī)療物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中的部署。

因此，如何提高聯(lián)邦學(xué)習(xí)在非獨(dú)立同分布（Non-IID，Non-Independent and Identically Distributed）場(chǎng)景下的收斂性能、降低計(jì)算時(shí)間消耗，并設(shè)計(jì)適用于醫(yī)療物聯(lián)網(wǎng)的聯(lián)邦學(xué)習(xí)架構(gòu)成為研究的關(guān)鍵。該文在降低聯(lián)邦學(xué)習(xí)計(jì)算時(shí)間消耗和構(gòu)建適用于醫(yī)療物聯(lián)網(wǎng)聯(lián)邦學(xué)習(xí)系統(tǒng)方面開展工作，該文主要工作如下：

1、針對(duì)各參與者數(shù)據(jù)量不平衡的問題，該文提出了一種改進(jìn)聯(lián)邦學(xué)習(xí)訓(xùn)練過(guò)程的算法。該算法基于分層聚合和動(dòng)態(tài)部署，參與者在本地部署聯(lián)邦學(xué)習(xí)訓(xùn)練服務(wù)，根據(jù)每回合的計(jì)算資源和本地?cái)?shù)據(jù)量動(dòng)態(tài)部署部分訓(xùn)練服務(wù)，以平衡各參與者計(jì)算時(shí)間消耗，縮短每回合訓(xùn)練的時(shí)間消耗。該文在UCI HAR數(shù)據(jù)集和PathMNIST數(shù)據(jù)集上開展了實(shí)驗(yàn)，并對(duì)比了目前流行的聯(lián)邦學(xué)習(xí)算法。在實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該文提出的算法能夠在各參與者數(shù)據(jù)量分布不平衡和各參與者計(jì)算資源不均衡的環(huán)境下，顯著減少聯(lián)邦學(xué)習(xí)訓(xùn)練過(guò)程中的計(jì)算時(shí)間消耗，且不降低模型性能。

2、針對(duì)醫(yī)療學(xué)習(xí)環(huán)境中的增量學(xué)習(xí)問題，即在醫(yī)療物聯(lián)網(wǎng)中，參與者不斷產(chǎn)生新數(shù)據(jù)或新參與者加入聯(lián)邦學(xué)習(xí)。這些新數(shù)據(jù)可能與之前訓(xùn)練過(guò)的數(shù)據(jù)相似。為了減輕計(jì)算負(fù)擔(dān)，該文提出了一種新的增量聯(lián)邦學(xué)習(xí)算法。該算法通過(guò)篩選有效數(shù)據(jù)集來(lái)訓(xùn)練，在模型聚合算法中，視情況進(jìn)行加權(quán)聚合或在先前參數(shù)空間的正交方向上進(jìn)行更新，以縮短每回合訓(xùn)練的時(shí)間消耗。同樣，本文在UCI HAR數(shù)據(jù)集和PathMNIST數(shù)據(jù)集上開展了實(shí)驗(yàn)，并對(duì)比了目前流行的聯(lián)邦學(xué)習(xí)算法。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文提出的算法能夠在增量學(xué)習(xí)環(huán)境中，顯著減少聯(lián)邦學(xué)習(xí)訓(xùn)練過(guò)程中的計(jì)算時(shí)間消耗，且不降低模型性能。

隨著社會(huì)對(duì)醫(yī)療問題日益關(guān)注，物聯(lián)網(wǎng)和云計(jì)算技術(shù)的發(fā)展為醫(yī)療系統(tǒng)帶來(lái)了許多便利，包括患者隱私數(shù)據(jù)的采集、云端存儲(chǔ)和遠(yuǎn)程診療服務(wù)等。然而，這些技術(shù)的快速發(fā)展也帶來(lái)了一些安全挑戰(zhàn)，特別是云服務(wù)器可能面臨外部攻擊，導(dǎo)致患者隱私信息的泄露或損壞。這不僅給醫(yī)院帶來(lái)?yè)p失，也可能對(duì)患者產(chǎn)生負(fù)面影響。因此，如何有效保障醫(yī)療數(shù)據(jù)的安全存儲(chǔ)并防止未授權(quán)用戶訪問，成為當(dāng)前研究的焦點(diǎn)。基于CPABE的加密方案由于其出色的數(shù)據(jù)隱私保護(hù)能力和靈活的訪問控制機(jī)制，非常適合應(yīng)用于醫(yī)療物聯(lián)網(wǎng)場(chǎng)景中的數(shù)據(jù)安全共享。

該文主要針對(duì)醫(yī)療物聯(lián)網(wǎng)場(chǎng)景下的數(shù)據(jù)安全共享進(jìn)行了深入研究，通過(guò)對(duì)當(dāng)前密文策略屬性基加密方案進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)方案存在密文搜索和用戶解密效率低、用戶撤銷后頻繁更新私鑰、訪問策略單一、惡意數(shù)據(jù)擁有者以及醫(yī)護(hù)人員濫用隱私數(shù)據(jù)等問題。在此基礎(chǔ)上，提出了兩種針對(duì)醫(yī)療物聯(lián)網(wǎng)場(chǎng)景的新型數(shù)據(jù)共享方案：支持用戶撤銷的可搜索電子健康記錄共享方案和醫(yī)療場(chǎng)景下基于屬性的可凈化可協(xié)同數(shù)據(jù)共享方案。這些方案重點(diǎn)考慮了細(xì)粒度訪問控制、訪問策略擴(kuò)展、密文數(shù)據(jù)檢索、用戶撤銷、密文凈化以及解密開銷等方面，以適應(yīng)醫(yī)療物聯(lián)網(wǎng)場(chǎng)景下的數(shù)據(jù)安全共享需求。最后，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一款基于屬性基加密的EHRs 管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)加密、密文 凈化、密文檢索以及數(shù)據(jù)解密等功能，為醫(yī)護(hù)人員和患者提供了安全可靠、操作簡(jiǎn)單的醫(yī)療數(shù)據(jù)共享平臺(tái)。

作者：王政