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Tipo de documento: Dissertação
Tipo de acceso: Acesso Aberto
Título: Estratégia de seleção de clientes no aprendizado federado para a classificação de imagens médicas com otimização por enxame de partículas
Título (s) alternativo (s): Client selection strategy in federated learning for medical image classification with particle swarm optimization
Autor: Rodrigues, Leonardo Gabriel Ferreira
Primer orientador: Backes, André Ricardo
Primer miembro de la banca: Saito, Priscila Tiemi Maeda
Segundo miembro de la banca: Nascimento, Marcelo Zanchetta do
Resumen: Este trabalho propõe uma abordagem baseada em Aprendizado Federado para a avaliação da qualidade de imagens biomédicas, preservando a privacidade dos dados sensíveis dos pacientes. Diferente de métodos tradicionais que centralizam os dados em um único servidor, o Aprendi- zado Federado permite que o treinamento do modelo ocorra de forma descentralizada, com os dados permanecendo localmente nos dispositivos das instituições participantes. Apesar de seus benefícios de privacidade, o Aprendizado Federado enfrenta a heterogeneidade dos dados e a participação ineficiente dos clientes. A fim de otimizar a eficiência do treinamento colabora- tivo, e de superar desafios referentes à heterogeneidade dos dados, é incorporado ao sistema um mecanismo de seleção de clientes baseado em Otimização por Enxame de Partículas (PSO), que considera critérios como a qualidade dos dados, diversidade amostral e capacidade compu- tacional dos clientes. Essa estratégia visa melhorar a performance global do modelo ao mesmo tempo em que reduz custos de comunicação e evita o uso ineficiente de recursos. Além disso, supera desafios relacionados à seleção aleatória de clientes realizada com FedAvg, que pode se tornar um problema intratável na análise combinatória para obtenção dos melhores clientes. Os experimentos foram conduzidos com conjuntos de dados públicos de doenças, avaliando a robustez do modelo em ambientes heterogêneos. Os resultados demonstram que a combinação entre Aprendizado Federado e PSO permite selecionar diferentes quantidades de clientes inde- pendente da heterogeneidade dos dados, mantendo os dados seguros e respeitando as restrições de privacidade inerentes ao domínio médico. Dessa forma, o presente trabalho obteve como um dos principais ganhos 99,84% de acurácia com esta proposta.
Abstract: This work introduces a Federated Learning approach to assess the quality of biomedical images while protecting sensitive patient data. Unlike traditional methods that centralize data on a single server, Federated Learning trains models in a decentralized way, keeping data on the local devices of participating institutions. While Federated Learning offers privacy benefits, it struggles with data heterogeneity and inefficient client participation. To address this and im- prove the efficiency of collaborative training under heterogeneous data, the system integrates a client selection mechanism based on Particle Swarm Optimization (PSO), using factors such as data quality, sample diversity, and computational capacity. This strategy aims to boost overall model performance, reduce communication overhead, and avoid wasting resources. In addi- tion, the proposed method overcomes limitations of random client selection as used in FedAvg, which can become combinatorially intractable when searching for the best subset of clients. Experiments conducted on public disease datasets evaluate model robustness in heterogeneous environments. Results indicate that combining Federated Learning with PSO enables adaptive client selection across varying data heterogeneity levels while maintaining data security and complying with inherent medical domain privacy constraints, achieving up to 99.84% accuracy as one of the main performance gains of this work.
Palabras clave: Aprendizado Federado
Federated Learning
Seleção de Clientes
Otimização por Enxame de Par- tículas (Particle Swarm Optimization - PSO)
FedAvg
Preservação de Privacidade em Aprendizado de Máquina
Client Selection
Particle Swarm Optimization
Privacy-Preserving Machine Learning
Área (s) del CNPq: CNPQ::CIENCIAS EXATAS E DA TERRA::CIENCIA DA COMPUTACAO
Tema: Computação
Diagnóstico por imagem
Redes neurais (Computação)
Idioma: por
País: Brasil
Editora: Universidade Federal de Uberlândia
Programa: Programa de Pós-graduação em Ciência da Computação
Cita: RODRIGUES, Leonardo Gabriel Ferreira, Estratégia de seleção de clientes no aprendizado federado para a classificação de imagens médicas com otimização por enxame de partículas. 2025. 64 f. Dissertação (Mestrado em Ciência da Computação) - Universidade Federal de Uberlândia, Uberlândia, 2025. DOI http://doi.org/10.14393/ufu.di.2025.680.
Identificador del documento: http://doi.org/10.14393/ufu.di.2025.680
URI: https://repositorio.ufu.br/handle/123456789/48025
Fecha de defensa: 27-nov-2025
Objetivos de Desarrollo Sostenible (ODS): ODS::ODS 3. Saúde e bem-estar - Assegurar uma vida saudável e promover o bem-estar para todos, em todas as idades.
Aparece en las colecciones:DISSERTAÇÃO - Ciência da Computação

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