Effective and Secure Healthcare Machine Learning System with Explanations Based on High Quality Crowdsourcing Data

Affordable cloud computing technologies allow users to efficiently outsource, store, and manage their Personal Health Records (PHRs) and share with their caregivers or physicians. With this exponential growth of the stored large scale clinical data and the growing need for personalized care, researchers are keen on developing data mining methodologies to learn efficient hidden patterns in such data. While studies have shown that those progresses can significantly improve the performance of various healthcare applications for clinical decision making and personalized medicine, the collected medical datasets are highly ambiguous and noisy. Thus, it is essential to develop a better tool for disease progression and survival rate predictions, where dataset needs to be cleaned before it is used for predictions and useful feature selection techniques need to be employed before prediction models can be constructed. In addition, having predictions without explanations prevent medical personnel and patients from adopting such healthcare deep learning models. Thus, any prediction models must come with some explanations. Finally, despite the efficiency of machine learning systems and their outstanding prediction performance, it is still a risk to reuse pre-trained models since most machine learning modules that are contributed and maintained by third parties lack proper checking to ensure that they are robust to various adversarial attacks. We need to design mechanisms for detection such attacks. In this thesis, we focus on addressing all the above issues: (i) Privacy Preserving Disease Treatment & Complication Prediction System (PDTCPS): A privacy-preserving disease treatment, complication prediction scheme (PDTCPS) is proposed, which allows authorized users to conduct searches for disease diagnosis, personalized treatments, and prediction of potential complications. (ii) Incentivizing High Quality Crowdsourcing Data For Disease Prediction: A new incentive model with individual rationality and platform profitability features is developed to encourage different hospitals to share high quality data so that better prediction models can be constructed. We also explore how data cleaning and feature selection techniques affect the performance of the prediction models. (iii) Explainable Deep Learning Based Medical Diagnostic System: A deep learning based medical diagnosis system (DL-MDS) is present which integrates heterogeneous medical data sources to produce better disease diagnosis with explanations for authorized users who submit their personalized health related queries. (iv) Attacks on RNN based Healthcare Learning Systems and Their Detection & Defense Mechanisms: Potential attacks on Recurrent Neural Network (RNN) based ML systems are identified and low-cost detection & defense schemes are designed to prevent such adversarial attacks. Finally, we conduct extensive experiments using both synthetic and real-world datasets to validate the feasibility and practicality of our proposed systems

Contribution to privacy-enhancing tecnologies for machine learning applications

For some time now, big data applications have been enabling revolutionary innovation in every aspect of our daily life by taking advantage of lots of data generated from the interactions of users with technology. Supported by machine learning and unprecedented computation capabilities, different entities are capable of efficiently exploiting such data to obtain significant utility. However, since personal information is involved, these practices raise serious privacy concerns. Although multiple privacy protection mechanisms have been proposed, there are some challenges that need to be addressed for these mechanisms to be adopted in practice, i.e., to be “usable” beyond the privacy guarantee offered. To start, the real impact of privacy protection mechanisms on data utility is not clear, thus an empirical evaluation of such impact is crucial. Moreover, since privacy is commonly obtained through the perturbation of large data sets, usable privacy technologies may require not only preservation of data utility but also efficient algorithms in terms of computation speed. Satisfying both requirements is key to encourage the adoption of privacy initiatives. Although considerable effort has been devoted to design less “destructive” privacy mechanisms, the utility metrics employed may not be appropriate, thus the wellness of such mechanisms would be incorrectly measured. On the other hand, despite the advent of big data, more efficient approaches are not being considered. Not complying with the requirements of current applications may hinder the adoption of privacy technologies. In the first part of this thesis, we address the problem of measuring the effect of k-anonymous microaggregation on the empirical utility of microdata. We quantify utility accordingly as the accuracy of classification models learned from microaggregated data, evaluated over original test data. Our experiments show that the impact of the de facto microaggregation standard on the performance of machine-learning algorithms is often minor for a variety of data sets. Furthermore, experimental evidence suggests that the traditional measure of distortion in the community of microdata anonymization may be inappropriate for evaluating the utility of microaggregated data. Secondly, we address the problem of preserving the empirical utility of data. By transforming the original data records to a different data space, our approach, based on linear discriminant analysis, enables k-anonymous microaggregation to be adapted to the application domain of data. To do this, first, data is rotated (projected) towards the direction of maximum discrimination and, second, scaled in this direction, penalizing distortion across the classification threshold. As a result, data utility is preserved in terms of the accuracy of machine learned models for a number of standardized data sets. Afterwards, we propose a mechanism to reduce the running time for the k-anonymous microaggregation algorithm. This is obtained by simplifying the internal operations of the original algorithm. Through extensive experimentation over multiple data sets, we show that the new algorithm gets significantly faster. Interestingly, this remarkable speedup factor is achieved with no additional loss of data utility.Les aplicacions de big data impulsen actualment una accelerada innovació aprofitant la gran quantitat d’informació generada a partir de les interaccions dels usuaris amb la tecnologia. Així, qualsevol entitat és capaç d'explotar eficientment les dades per obtenir utilitat, emprant aprenentatge automàtic i capacitats de còmput sense precedents. No obstant això, sorgeixen en aquest escenari serioses preocupacions pel que fa a la privacitat dels usuaris ja que hi ha informació personal involucrada. Tot i que s'han proposat diversos mecanismes de protecció, hi ha alguns reptes per a la seva adopció en la pràctica, és a dir perquè es puguin utilitzar. Per començar, l’impacte real d'aquests mecanismes en la utilitat de les dades no esta clar, raó per la qual la seva avaluació empírica és important. A més, considerant que actualment es manegen grans volums de dades, una privacitat usable requereix, no només preservació de la utilitat de les dades, sinó també algoritmes eficients en temes de temps de còmput. És clau satisfer tots dos requeriments per incentivar l’adopció de mesures de privacitat. Malgrat que hi ha diversos esforços per dissenyar mecanismes de privacitat menys "destructius", les mètriques d'utilitat emprades no serien apropiades, de manera que aquests mecanismes de protecció podrien estar sent incorrectament avaluats. D'altra banda, tot i l’adveniment del big data, la investigació existent no s’enfoca molt en millorar la seva eficiència. Lamentablement, si els requisits de les aplicacions actuals no es satisfan, s’obstaculitzarà l'adopció de tecnologies de privacitat. A la primera part d'aquesta tesi abordem el problema de mesurar l'impacte de la microagregació k-Gnónima en la utilitat empírica de microdades. Per això, quantifiquem la utilitat com la precisió de models de classificació obtinguts a partir de les dades microagregades. i avaluats sobre dades de prova originals. Els experiments mostren que l'impacte de l’algoritme de rmicroagregació estàndard en el rendiment d’algoritmes d'aprenentatge automàtic és usualment menor per a una varietat de conjunts de dades avaluats. A més, l’evidència experimental suggereix que la mètrica tradicional de distorsió de les dades seria inapropiada per avaluar la utilitat empírica de dades microagregades. Així també estudiem el problema de preservar la utilitat empírica de les dades a l'ésser anonimitzades. Transformant els registres originaIs de dades en un espai de dades diferent, el nostre enfocament, basat en anàlisi de discriminant lineal, permet que el procés de microagregació k-anònima s'adapti al domini d’aplicació de les dades. Per això, primer, les dades són rotades o projectades en la direcció de màxima discriminació i, segon, escalades en aquesta direcció, penalitzant la distorsió a través del llindar de classificació. Com a resultat, la utilitat de les dades es preserva en termes de la precisió dels models d'aprenentatge automàtic en diversos conjunts de dades. Posteriorment, proposem un mecanisme per reduir el temps d'execució per a la microagregació k-anònima. Això s'aconsegueix simplificant les operacions internes de l'algoritme escollit Mitjançant una extensa experimentació sobre diversos conjunts de dades, vam mostrar que el nou algoritme és bastant més ràpid. Aquesta acceleració s'aconsegueix sense que hi ha pèrdua en la utilitat de les dades. Finalment, en un enfocament més aplicat, es proposa una eina de protecció de privacitat d'individus i organitzacions mitjançant l'anonimització de dades sensibles inclosos en logs de seguretat. Es dissenyen diferents mecanismes d'anonimat per implementar-los en base a la definició d'una política de privacitat, en el context d'un projecte europeu que té per objectiu construir un sistema de seguretat unificat

Contribution to privacy-enhancing tecnologies for machine learning applications

For some time now, big data applications have been enabling revolutionary innovation in every aspect of our daily life by taking advantage of lots of data generated from the interactions of users with technology. Supported by machine learning and unprecedented computation capabilities, different entities are capable of efficiently exploiting such data to obtain significant utility. However, since personal information is involved, these practices raise serious privacy concerns. Although multiple privacy protection mechanisms have been proposed, there are some challenges that need to be addressed for these mechanisms to be adopted in practice, i.e., to be “usable” beyond the privacy guarantee offered. To start, the real impact of privacy protection mechanisms on data utility is not clear, thus an empirical evaluation of such impact is crucial. Moreover, since privacy is commonly obtained through the perturbation of large data sets, usable privacy technologies may require not only preservation of data utility but also efficient algorithms in terms of computation speed. Satisfying both requirements is key to encourage the adoption of privacy initiatives. Although considerable effort has been devoted to design less “destructive” privacy mechanisms, the utility metrics employed may not be appropriate, thus the wellness of such mechanisms would be incorrectly measured. On the other hand, despite the advent of big data, more efficient approaches are not being considered. Not complying with the requirements of current applications may hinder the adoption of privacy technologies. In the first part of this thesis, we address the problem of measuring the effect of k-anonymous microaggregation on the empirical utility of microdata. We quantify utility accordingly as the accuracy of classification models learned from microaggregated data, evaluated over original test data. Our experiments show that the impact of the de facto microaggregation standard on the performance of machine-learning algorithms is often minor for a variety of data sets. Furthermore, experimental evidence suggests that the traditional measure of distortion in the community of microdata anonymization may be inappropriate for evaluating the utility of microaggregated data. Secondly, we address the problem of preserving the empirical utility of data. By transforming the original data records to a different data space, our approach, based on linear discriminant analysis, enables k-anonymous microaggregation to be adapted to the application domain of data. To do this, first, data is rotated (projected) towards the direction of maximum discrimination and, second, scaled in this direction, penalizing distortion across the classification threshold. As a result, data utility is preserved in terms of the accuracy of machine learned models for a number of standardized data sets. Afterwards, we propose a mechanism to reduce the running time for the k-anonymous microaggregation algorithm. This is obtained by simplifying the internal operations of the original algorithm. Through extensive experimentation over multiple data sets, we show that the new algorithm gets significantly faster. Interestingly, this remarkable speedup factor is achieved with no additional loss of data utility.Les aplicacions de big data impulsen actualment una accelerada innovació aprofitant la gran quantitat d’informació generada a partir de les interaccions dels usuaris amb la tecnologia. Així, qualsevol entitat és capaç d'explotar eficientment les dades per obtenir utilitat, emprant aprenentatge automàtic i capacitats de còmput sense precedents. No obstant això, sorgeixen en aquest escenari serioses preocupacions pel que fa a la privacitat dels usuaris ja que hi ha informació personal involucrada. Tot i que s'han proposat diversos mecanismes de protecció, hi ha alguns reptes per a la seva adopció en la pràctica, és a dir perquè es puguin utilitzar. Per començar, l’impacte real d'aquests mecanismes en la utilitat de les dades no esta clar, raó per la qual la seva avaluació empírica és important. A més, considerant que actualment es manegen grans volums de dades, una privacitat usable requereix, no només preservació de la utilitat de les dades, sinó també algoritmes eficients en temes de temps de còmput. És clau satisfer tots dos requeriments per incentivar l’adopció de mesures de privacitat. Malgrat que hi ha diversos esforços per dissenyar mecanismes de privacitat menys "destructius", les mètriques d'utilitat emprades no serien apropiades, de manera que aquests mecanismes de protecció podrien estar sent incorrectament avaluats. D'altra banda, tot i l’adveniment del big data, la investigació existent no s’enfoca molt en millorar la seva eficiència. Lamentablement, si els requisits de les aplicacions actuals no es satisfan, s’obstaculitzarà l'adopció de tecnologies de privacitat. A la primera part d'aquesta tesi abordem el problema de mesurar l'impacte de la microagregació k-Gnónima en la utilitat empírica de microdades. Per això, quantifiquem la utilitat com la precisió de models de classificació obtinguts a partir de les dades microagregades. i avaluats sobre dades de prova originals. Els experiments mostren que l'impacte de l’algoritme de rmicroagregació estàndard en el rendiment d’algoritmes d'aprenentatge automàtic és usualment menor per a una varietat de conjunts de dades avaluats. A més, l’evidència experimental suggereix que la mètrica tradicional de distorsió de les dades seria inapropiada per avaluar la utilitat empírica de dades microagregades. Així també estudiem el problema de preservar la utilitat empírica de les dades a l'ésser anonimitzades. Transformant els registres originaIs de dades en un espai de dades diferent, el nostre enfocament, basat en anàlisi de discriminant lineal, permet que el procés de microagregació k-anònima s'adapti al domini d’aplicació de les dades. Per això, primer, les dades són rotades o projectades en la direcció de màxima discriminació i, segon, escalades en aquesta direcció, penalitzant la distorsió a través del llindar de classificació. Com a resultat, la utilitat de les dades es preserva en termes de la precisió dels models d'aprenentatge automàtic en diversos conjunts de dades. Posteriorment, proposem un mecanisme per reduir el temps d'execució per a la microagregació k-anònima. Això s'aconsegueix simplificant les operacions internes de l'algoritme escollit Mitjançant una extensa experimentació sobre diversos conjunts de dades, vam mostrar que el nou algoritme és bastant més ràpid. Aquesta acceleració s'aconsegueix sense que hi ha pèrdua en la utilitat de les dades. Finalment, en un enfocament més aplicat, es proposa una eina de protecció de privacitat d'individus i organitzacions mitjançant l'anonimització de dades sensibles inclosos en logs de seguretat. Es dissenyen diferents mecanismes d'anonimat per implementar-los en base a la definició d'una política de privacitat, en el context d'un projecte europeu que té per objectiu construir un sistema de seguretat unificat.Postprint (published version

Bilingual Autoencoder-based Efficient Harmonization of Multi-source Private Data for Accurate Predictive Modeling

Sharing electronic health record data is essential for advanced analysis, but may put sensitive information at risk. Several studies have attempted to address this risk using contextual embedding, but with many hospitals involved, they are often inefficient and inflexible. Thus, we propose a bilingual autoencoder-based model to harmonize local embeddings in different spaces. Cross-hospital reconstruction of embeddings makes encoders map embeddings from hospitals to a shared space and align them spontaneously. We also suggest two-phase training to prevent distortion of embeddings during harmonization with hospitals that have biased information. In experiments, we used medical event sequences from the Medical Information Mart for Intensive Care-III dataset and simulated the situation of multiple hospitals. For evaluation, we measured the alignment of events from different hospitals and the prediction accuracy of a patient & rsquo;s diagnosis in the next admission in three scenarios in which local embeddings do not work. The proposed method efficiently harmonizes embeddings in different spaces, increases prediction accuracy, and gives flexibility to include new hospitals, so is superior to previous methods in most cases. It will be useful in predictive tasks to utilize distributed data while preserving private information

Advances in Information Security and Privacy

With the recent pandemic emergency, many people are spending their days in smart working and have increased their use of digital resources for both work and entertainment. The result is that the amount of digital information handled online is dramatically increased, and we can observe a significant increase in the number of attacks, breaches, and hacks. This Special Issue aims to establish the state of the art in protecting information by mitigating information risks. This objective is reached by presenting both surveys on specific topics and original approaches and solutions to specific problems. In total, 16 papers have been published in this Special Issue