Encrypted federated learning for secure decentralized collaboration in cancer image analysis

Publikation: Beitrag in FachzeitschriftForschungsartikelBeigetragenBegutachtung

Beitragende

  • Daniel Truhn - , Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen (Autor:in)
  • Soroosh Tayebi Arasteh - , Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen (Autor:in)
  • Oliver Lester Saldanha - , Else Kröner Fresenius Zentrum für Digitale Gesundheit, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen (Autor:in)
  • Gustav Müller-Franzes - , Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen (Autor:in)
  • Firas Khader - , Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen (Autor:in)
  • Philip Quirke - , University of Leeds (Autor:in)
  • Nicholas P. West - , University of Leeds (Autor:in)
  • Richard Gray - , University of Oxford (Autor:in)
  • Gordon G.A. Hutchins - , University of Leeds (Autor:in)
  • Jacqueline A. James - , Queen's University Belfast, Belfast Health and Social Care Trust (Autor:in)
  • Maurice B. Loughrey - , Queen's University Belfast, Belfast Health and Social Care Trust (Autor:in)
  • Manuel Salto-Tellez - , Queen's University Belfast, Belfast Health and Social Care Trust (Autor:in)
  • Hermann Brenner - , Deutsches Krebsforschungszentrum (DKFZ) (Autor:in)
  • Alexander Brobeil - , Universität Heidelberg (Autor:in)
  • Tanwei Yuan - , Deutsches Krebsforschungszentrum (DKFZ), Universität Heidelberg (Autor:in)
  • Jenny Chang-Claude - , Universität Hamburg, Deutsches Krebsforschungszentrum (DKFZ) (Autor:in)
  • Michael Hoffmeister - , Deutsches Krebsforschungszentrum (DKFZ) (Autor:in)
  • Sebastian Foersch - , Universitätsmedizin Mainz (Autor:in)
  • Tianyu Han - , Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen (Autor:in)
  • Sebastian Keil - , Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen (Autor:in)
  • Maximilian Schulze-Hagen - , Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen (Autor:in)
  • Peter Isfort - , Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen (Autor:in)
  • Philipp Bruners - , Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen (Autor:in)
  • Georgios Kaissis - , Technische Universität München, Imperial College London (Autor:in)
  • Christiane Kuhl - , Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen (Autor:in)
  • Sven Nebelung - , Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen (Autor:in)
  • Jakob Nikolas Kather - , Else Kröner Fresenius Zentrum für Digitale Gesundheit, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, University of Leeds, Universität Heidelberg (Autor:in)

Abstract

Artificial intelligence (AI) has a multitude of applications in cancer research and oncology. However, the training of AI systems is impeded by the limited availability of large datasets due to data protection requirements and other regulatory obstacles. Federated and swarm learning represent possible solutions to this problem by collaboratively training AI models while avoiding data transfer. However, in these decentralized methods, weight updates are still transferred to the aggregation server for merging the models. This leaves the possibility for a breach of data privacy, for example by model inversion or membership inference attacks by untrusted servers. Somewhat-homomorphically-encrypted federated learning (SHEFL) is a solution to this problem because only encrypted weights are transferred, and model updates are performed in the encrypted space. Here, we demonstrate the first successful implementation of SHEFL in a range of clinically relevant tasks in cancer image analysis on multicentric datasets in radiology and histopathology. We show that SHEFL enables the training of AI models which outperform locally trained models and perform on par with models which are centrally trained. In the future, SHEFL can enable multiple institutions to co-train AI models without forsaking data governance and without ever transmitting any decryptable data to untrusted servers.

Details

OriginalspracheEnglisch
Aufsatznummer103059
FachzeitschriftMedical Image Analysis
Jahrgang92
PublikationsstatusVeröffentlicht - Feb. 2024
Peer-Review-StatusJa

Externe IDs

PubMed 38104402

Schlagworte

Ziele für nachhaltige Entwicklung

Schlagwörter

  • Artificial intelligence, Federated learning, Histopathology, Homomorphic encryption, Privacy-preserving deep learning, Radiology, Learning, Image Processing, Computer-Assisted, Humans, Artificial Intelligence, Neoplasms/diagnostic imaging