加速健康数据共享:基于物联网和分布式账本技术的解决方案

简介

物联网与智能医疗

近年来，物联网迅猛发展。它被认为是下一个革命性的技术，会给社会的各个领域带来巨大的好处，包括医疗保健。1］．由于上个世纪开始的信息技术革命，医疗保健行业发生了巨大的变化。在过去的几十年里，远程医疗、数字医院、电子健康、移动健康等新技术得到了广泛的应用，如今物联网的快速发展正推动着医疗从数字化走向智能化[2］．

物联网的发展导致了智能环境的迅速出现，如智能家居[3.］．这些环境中的传感器可以测量各种环境因素的数值，包括温度、湿度、空气质素和噪音[4］．

可穿戴技术作为物联网的一个重要方面，在过去十年中也出现了激增。不同类型的可穿戴设备包含各种嵌入式传感器，如智能手机、智能手表、智能手环、智能眼镜等已被用于医疗保健应用，实现远程诊断等各种健康相关应用[5]，疾病监测[6]，以及照顾长者的人士[7］．

卫生保健数据共享的挑战

这些智能设备产生了大量与健康相关的数据，包括来自固定传感器的环境数据和来自可穿戴设备的活动数据。这些数据是医疗保健应用、研究和商业项目的宝贵资源。正确地共享这些健康数据可以使所有相关利益攸关方受益，包括设备用户、患者、研究人员和公司，并改善公共卫生保健系统。

目前，物联网设备产生的大部分数据由不同的服务提供商、设备制造商控制，或分散在不同的医疗保健系统中[8，9］．这些竖井和分段的数据使得在它们自己封闭的环境之外共享数据不可能或非常困难，这导致了大量的数据浪费[10］．此外，由于这些集中式数据存储机构和机构提供者是网络攻击的目标，因此会危及数据安全和私隐。[11］．

随着公共和私人用户对数据隐私和安全问题的日益关注，数据保护法规将变得更加严格。例如，欧洲联盟已公布《一般资料保护规例》[12]以保护个人资料。这些规定使得数据共享更加困难。

除了复杂的数据保护法规，大数据自由流动的另一个主要障碍是，尽管从技术角度看，数据共享变得越来越便宜，但由于中介费用的原因，实时传输细粒度数据的成本过高[13］．另一个障碍是缺乏确保数据的真实性和审计追踪。传统的数据传输协议和数据库容易受到各种攻击，包括中间人攻击及篡改资料[14］．

为了克服这些阻碍充分利用有价值的卫生数据的障碍，有必要开发先进的系统，以加速安全、免费、防篡改和高可扩展的卫生数据共享。

分布式账本技术和区块链

分布式账本是分布式数据库，由点对点网络中的节点运行的共识协议维护。该共识协议取代了中央管理员，因为所有的对等体都有助于维护数据库的完整性[15］．

作为最广泛的DLT之一，区块链近年来获得了很大的普及，主要是因为加密货币在金融领域。例如，比特币于2008年首次推出[16]并从此吸引了来自不同学术领域的研究界的注意[17-19]，并因其独特的特性而受到主流的欢迎，例如没有集中控制、假定高度匿名和分散网络上的分布式共识。区块链解决方案可通过使用公共密钥基础设施一起利用数据的阈值加密来降低数据泄露风险，其中需要多方合作来解密数据，并使用非对称加密技术来验证与系统参与者的通信[20.］．

区块链的局限性

基于DLT的专门分布式共识协议使新的去中心化应用成为可能，如加密货币[16]和智能合约[21］．比特币在过去6年的崛起和成功证明了区块链技术具有现实世界的价值。然而，这些基于区块的协议，如区块链和以太坊，也有一些缺点，使它们无法用作物联网数据共享的通用平台。

可伸缩性

区块链具有固有的交易速率限制，因为所有参与者都同意最长的链，并放弃分叉和侧分支[22］．通常的做法是等待最长的链上添加6个区块，然后才能达到对比特币网络上的交易是最终交易的高度信心[20.，23］．例如，2018年12月底，确认一笔比特币交易平均需要9.3分钟[24］．需要交换价值和低延迟的应用程序不能确定它们的交易在更短的时间内是最终的，必须相信支付方不会加倍花费[20.］．目前的激励方案允许这些协议病毒式传播，在限制网络上的交易率的同时，对计算资源的利用效率很低。2018年大部分时间，比特币协议在全网的交易率都低于5笔/秒[25］．类似地，以太坊协议目前在整个网络上每秒处理大约6笔交易[26］．这种低吞吐量无法满足许多医疗保健场景中数据共享的需求。

费用

另一个明显的缺点是对任何价值的交易都要收取交易费的概念。例如，比特币协议要求每笔交易的费用可能超过0.30美元[27根据2019年1月10日的统计数据。要在金融或其他工业用例中大规模使用分布式账本，这种低吞吐量和高费用的模式是不够的。在快速发展的物联网技术中，小额支付的重要性将会增加，支付超过转移价值的费用是不合理的。此外，取消区块链基础设施中的费用并不容易，因为它们是区块创建者的激励因素[28］．

集中

维护区块链需要大量的计算能力，挖矿能力在某种程度上已经变得集中。最新统计数据显示，6个最大的矿池控制了75.76%的网络挖矿能力(BTC.com 21.5%， AntPool 14.9%， SlushPool 11.01%， ViaBTC 10.65%， BTC。TOP 9.67%， F2Pool 8.03%) [29］．

易受量子攻击

比特币和其他基于工作证明的区块链很容易被量子计算机破坏。量子计算机，虽然至今仍是一个假设的结构，但在处理依赖试错来找到解决方案的问题上可能非常有效。28］．寻找一个nonce来生成比特币块的过程就是这类问题的一个很好的例子。到今天为止，必须检查平均2个⁶⁸立即查找一个允许生成新块的合适散列。理论上，量子计算机需要θ(√N)次运算才能解决类似上述比特币难题的问题[30.］．在传统计算机上，同样的问题需要θ(√N)次运算。因此，一个量子计算机大约是170亿(√2)⁶⁸)挖掘比特币区块链的效率是传统计算机的两倍。它将使控制整个区块链网络超过51%的计算能力成为可能，这将使攻击者能够加倍投入并破坏整个网络。

IOTA和Tangle

IOTA是一种基于缠结的加密货币，专门为需要机器对机器微支付系统的物联网行业设计。通过克服前面提到的一些基本限制，tangle自然继承了区块链，成为它的下一个进化步骤[31］．这种混乱的主要特征是，它使用有向无环图来存储事务，而不是顺序块。在Tangle中，用户必须执行少量的计算工作来批准之前的两个事务，以发出一个新的事务。此新事务将由一些后续事务验证[28］．

这种结构使Tangle具有很高的可伸缩性。没有最大吞吐量，因为Tangle中的活动越多，可以更快地确认事务。此外，有了这种“转发”的验证系统，就没有必要提供经济奖励了。在IOTA进行交易可以免费。此外，IOTA没有矿工，因此它是真正去中心化的。

IOTA缠结被设计成具有量子抵抗能力。为了找到合适的散列来发布事务，需要检查的nonce数量大约为3⁸平均来说，这个数字并不大。因此，“理想”量子计算机的效率增益应为3阶⁴=81，这已经可以接受了[28］．更重要的是，IOTA实现中使用的算法的结构使得找到nonce的时间不会比发出事务所需的其他任务的时间长多少。与传统的区块链相比，后者对量子计算的阻力要大得多。

蒙面的验证消息

所提出的系统中使用的主要数据通信协议是掩码认证消息传递(MAM)。它允许通过Tangle发送和访问加密数据流，而不考虑设备的大小或成本[32］．MAM使用通道来传播消息。IOTA用户可以创建通道并在任何时间发布任意大小的消息。需要少量的工作量证明来允许数据通过网络传播并防止垃圾邮件。其他用户可以通过该频道的地址订阅该频道，并接收由频道所有者发布的消息。

Merkle哈希树

MAM使用基于默克尔哈希树(MHT)的签名方案[33-35]签署加密讯息的密码摘要[32］．的地址的根这个Merkle树，它本身是使用种子的用户。

如MHT例子所示图1，私钥(A, B, C, D)是根据种子，指数,安全级别［36］．相应的地址,也被称为叶子(A'， B'， C'， D')，可分别生成[37，38］．通过应用哈希函数来缩小地址的范围根可以得到Merkle树的。在MAM流中，单个MHT只持续很短的一段时间，每个消息包含下一个Merkle树的根(或通道的未来方向)[32］．

每条消息都使用一次性签名(OTS)方案进行签名。MHT中的每个叶对应1个OTS方案。这意味着每棵树可以产生与MHT中叶子数量相同的消息[15］．

在MHT中，给定叶的互补散列集是兄弟姐妹这叶子。所示图1叶子的兄弟姐妹一个“(红色)是B”而且散列(C, D”)．通过组合一个给定的叶子和它的兄弟姐妹根可以计算出MHT的值。

一个完整的MAM事务应该包括签名部分和屏蔽消息部分。签名是从其中一个叶节点对应的私钥创建的。屏蔽消息由需要共享的原始数据、下一个MHT的根、所选叶的索引(分支索引)和该叶的兄弟节点组成。图2显示了一个有两个事务的MAM流的例子。

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私隐和加密模式

MAM有3种隐私和加密模式来控制通道的可见性和访问:公共、受限和私有。

在公共模式下，MHT的根直接用作MAM事务地址和通道密钥。因此，任何随机或有意接收消息的用户都可以使用消息的地址对其进行解码。

在私有模式下，MHT根的散列用作地址，并使用根．这可以防止随机用户在偶然发现消息时解密消息，因为他们无法派生根从散列。

在受限模式下，一种授权密钥，名为sideKey在本研究中，是在私有模式的基础上添加的。用于附加到网络的地址是sideKey和根(根据当前MAM源代码[38]，只使用根的哈希值，这与IOTA网站的介绍不同[32，36])。它使消息发布者能够通过更改订阅者对未来消息的访问权sideKey．

要使用MAM消息，接收方需要使用根计算事务的地址并获取掩码消息。然后,使用根,sideKey在受限模式下，对屏蔽消息进行解密。

在MAM通道中，当前消息包含下面消息的地址，而前面的消息不被引用。这将向通道添加前向保密字符。当用户被授权使用正确的解密密钥时，他们可以跟随来自当前事务的MAM流，但是没有办法读取以前的消息。

本文的研究目的

本研究的目的是将IOTA Tangle与物联网相结合，开发一个健康数据共享系统，支持安全、免费、抗篡改、高扩展性和颗粒可控的健康数据交换。数据源可以包括可穿戴设备和智能家居等智能环境中的固定传感器。所提出的系统的可行性需要通过原型系统和实际案例的应用来验证。

方法

系统架构

提出的卫生保健数据共享系统的体系结构在图3．该系统涉及两个角色:数据发布者和数据订阅者。发布者可以是拥有智能设备和传感器的个人、家庭或任何其他组织。这些设备、传感器及其所有者产生与健康相关的数据，然后使用特定的加密和隐私协议将这些数据发布到Tangle。数据在它们自己的通道中发布，每个通道都有一个地址。数据通道的订阅者将收到新发布的数据。发布的数据通常是加密的，可能需要一个额外的解密密钥来解密接收的数据。

所有的数据都是通过IOTA节点发布和接收的，IOTA节点是一台连接到IOTA网络的计算机。用户可以使用自己的节点，也可以使用公共节点。用户可以同时是数据发布者和订阅者。例如，患者可以发布他或她的健康数据，他或她的医生可以订阅这些数据并相应地做出评估。之后，医生可以将评估结果发布到Tangle上，患者可以订阅该频道并接收结果。

由于尺寸、电源和计算能力的限制，大多数可穿戴设备和环境传感器不能直接向Tangle发布或接收数据。在这种情况下，网关层将是必要的，它可以是一台计算机、智能手机或像树莓派(Raspberry Pi)这样的单板计算机。39］．

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实现

为了验证所提出的健康数据共享系统的可行性和演示实现过程，开发了一个原型。样机的结构如图所示图4．

先前开发了一种使用智能手表的便携式人体运动监测系统，用于远程诊断特发性震颤(ET) [40，41］．Pebble智能手表[42]可以测量三轴加速度数据，用于地震评价和活动识别。智能手机中的定制应用程序可以让用户报告自己的位置、活动名称、颤抖程度、对疾病的自我评估，以及药物、酒精、咖啡摄入等与疾病相关的其他因素。这些数据与智能手机产生的其他传感器数据整合后，将被压缩并通过互联网上传到远程服务器，利用机器学习技术进行分析。

除了运动监测系统外，我们增加了一个由Kagoo空气质量传感器组成的环境监测系统[43和树莓派[39］．Kagoo传感器可以测量各种环境因素，如温度、湿度、噪音，以及空气中的污染物含量，包括颗粒物、甲醛、总挥发性有机成分、苯、二氧化碳、一氧化碳、臭氧和二氧化氮。这些传感器可以自由组合并插入主板，主板可以通过有线或Wi-Fi连接与单板计算机树莓派通信。在树莓派上运行的Python程序可以从空气传感器获取和预处理环境数据。更多技术细节，包括硬件手册和软件代码，均可公开查阅[44］．

我们使用这两个数据采集系统来表示可穿戴设备和固定上下文传感器。结合这两个数据源可以更全面地了解用户的健康相关信息。

在这个原型中，Pebble智能手表、Android智能手机和空气质量传感器组成了传感层;智能手机和树莓派扮演网关的角色，与所提出的系统架构相对应。不同设备的数据采集频率不同。智能手表的加速数据以25hz的频率记录，每分钟批量上传一次。来自智能手机的数据频率取决于用户的习惯，通常小于每小时一次。Kagoo传感器每分钟记录一次环境数据。

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在这个原型中，没有直接通过网关发布到Tangle，如图所示图1，原始数据首先被发送到本地服务器进行处理。原因有两方面。首先，来自智能手表的加速度数据的频率远远高于其他2个数据源。将这些原始数据发布到Tangle将导致很长一段滞后期。因此，在服务器端，加速度数据将通过基于深度学习方法的震颤评估模块[41］．输出将是每分钟较短的消息，带有时间戳和基于分类结果的震颤评分。这则简短的信息将发布到Tangle网站上。原始加速数据将保存在一个私人数据库中，以备将来使用。第二个原因是为了简化测试发布消息的平均等待时间的实验。来自不同来源的数据都被收集到服务器中，并在一个集中的时间段内通过同一个节点发布，以获得更可靠的结果。

在隐私和加密模式方面，环境数据以公共MAM模式发布，而患者报告数据和震颤评估数据以受限MAM模式发布。

要在Tangle上使用发布的数据，如果数据是以公共模式发布的，订阅者只需要知道通道的地址，而在前面介绍的受限模式下的数据则需要一个额外的解密密钥。数据发布和数据接收都是通过JavaScript程序实现的，在接下来的实验和结果部分会详细介绍。

结果

实验

为了证明该系统的可行性，进行了一项实验，该系统可以广播和接收来自可穿戴设备和固定环境传感器的组合健康数据。一般来说，测试的数据有3种，包括基于智能手表加速数据的震颤水平、来自智能手机的患者报告和来自空气传感器的环境数据。环境数据采用公共MAM协议广播，其他两类数据采用受限MAM协议广播。在广播流期间更改了受限模式的身份验证密钥，以演示用户将来如何撤销对其生成的数据的访问权。

所有数据都以JSON格式广播和接收。对于每种类型的数据，实现了100次广播试验，以测试平均等待时间。这些数据是在一台配备了4核英特尔酷睿i5-4460 3.2 GHz CPU、12gb RAM内存和Ubuntu Linux 18 64位版本操作系统的计算机上发布的。数据通过公共IOTA节点发布[45，46］．实验中连接到该节点时，内存使用率为50%，邻居数量为12个。通过Tangle发布和接收JSON数据的完整脚本是公开可用的[47］．

实验结果

图5展示了一个使用公共MAM模式在Tangle上发布的环境数据的例子。它显示地址通道的值与根MHT。任何知道的用户地址能否获取消息并对其进行解密根，这与地址．

图6给出了一个在受限模式下发布的患者报告数据的例子。在这种情况下，地址是MHT的哈希值吗根，这是完全不同的。订阅者需要知道地址和额外的加密密钥(side_key)以获取及解密该讯息。在受限模式下，发布者可以向订阅者发送地址而且side_key授予他或她对数据流中当前和未来消息的访问权。要撤销授权，发布者只需要更改side_key当发布新消息时，而订阅用户没有新消息side_key将失去对此消息和未来消息的访问权限。

公共和受限MAM协议的结合可以为用户提供对其健康数据的细粒度控制，这将为医疗保健系统带来巨大的好处。例如，在我们的原型中，当一个病人想要被诊断时，他或她可以和神经科医生分享地址和side_key报告数据和地震评估数据流从一定的时间。之后，神经学家将能够获取所有3个数据流，因为环境数据以公共模式发布。诊断完成后，患者可以更改密钥撤销授权，如图7．

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基于100次试验，总结了三种类型的数据发布到Tangle的等待时间表1．结果表明，这三种数据在发布到Tangle的等待时间上没有明显的差异，尽管它们的消息长度和加密方式不同。这是因为，在IOTA Tangle中，一个事务的大小是2673 trytes，大约是1650字节。这意味着，只要消息短于此限制，在同一节点上发布此类消息的等待时间应该相似。实际等待时间取决于节点执行工作证明的计算能力，根据我们的测试，它可能从几秒到超过半分钟，如所示表1．

目前，数据发布速度的瓶颈是连接到Tangle网络的节点总数和发布设备所使用的特定节点的状况。预计从本地服务器或从单板计算机发布数据的时间应该相似。为了验证这一消耗，除了使用本地服务器发布3种类型的数据外，还进行了使用树莓派发布空气质量数据的额外测试。结果见表1．结果表明，在消息发布的等待时间方面没有明显的差异，验证了上述消耗。

讨论

主要研究结果

本研究探讨了新兴的分布式账本技术在医疗保健领域的应用。我们提出了一个融合物联网、IOTA Tangle和MAM协议的健康数据共享系统。它为个人提供了一个可靠的市场，以安全和可控的方式与医院、研究人员、行业公司或任何其他组织共享他们的健康相关数据。作为回报，个人可以从自己的货币、医疗服务或其他形式的数据中获益。另一方面，研究人员和公司将能够为他们的研究、临床试验或产品开发收集相关数据。

现有的关于DLT和物联网在医疗保健领域应用的研究，大多集中在医疗数据共享系统的概念设计或从管理角度探讨相关政策。相比之下，本研究不仅提出了一个由DLT和IOT技术支持的应用框架，而且从技术角度实现了一个实际的原型系统。

通过一个基于原型系统的实验，我们演示了如何以不同的加密和隐私选项收集和发布健康相关的数据到Tangle。我们的实验表明，结合公共和受限制的MAM数据流，个人可以为不同的数据消费者定义粒度访问控制。该系统可以促进免费、安全、高效的健康数据共享市场的发展，以处理大量物联网设备产生的大数据，从而为有前景的智能医疗铺平道路。

尽管IOTA Tangle及其MAM协议的当前实现已经可用，但它们仍在开发中，并在快速发展中。当前将消息附加到Tangle的等待时间从几秒到超过1分钟不等。尽管这比其他基于块的协议快，但仍然有很大的性能提升空间，因为连接到Tangle网络的节点越多，事务通过的速度就越快。

限制

通过在受控环境下的原型系统实验，验证了采用IOTA Tangle和MAM协议的健康数据共享系统的可行性。有几个限制值得一提。

首先，在原型中，在网关层和IOTA节点之间引入了一个本地服务器。其目的是处理大量的原始加速度数据并简化测试过程。在实际应用中，可以排除这个本地服务器。传感器数据可以直接从物联网设备或通过网关(如智能手机或树莓派)发布到Tangle。这可以实现真正的机器对机器通信，并使其更容易大规模实现。

这项初步研究的另一个局限性是使用公共IOTA节点在Tangle上发布和接收数据。滞后时间取决于该公共节点的工作负载，它总是稳定的。在实际实现中，需要根据实际需求设置私有节点。

结论

IOTA Tangle与MAM通信协议一起，可以提供一个免费、安全、高度可扩展和量子免疫的数据共享平台。物联网的快速发展正在推动医疗行业从数字化向智能化升级。IOTA Tangle、MAM和IoT的融合，可以显著加速健康数据的共享，为实现智能医疗愿景铺平道路。本研究中提出的解决方案克服了其他传统基于块的解决方案在数据访问管理中的成本、效率、可伸缩性和灵活性方面面临的许多挑战。它可以应用于许多卫生保健场景，如远程诊断、慢性疾病监测和老年人护理，如前面ET诊断实验中介绍的。患者可以通过不同的加密选项向Tangle发布自己的健康数据，并授权医疗专家访问一段时间内的颤抖和活动数据。专家还可以将诊断结果分享给患者或其亲属。

这一解决方案可用于康复、运动和健身以及工作场所的劳动健康保护等许多其他领域，为今后的工作指明了方向。例如，可穿戴设备可以用来监测工人的位置、活动、工作负荷以及心率和血压等健康指标。环境传感器可用于监测工作条件，包括空气质量、温度、湿度、噪声和照明。所有这些数据或定期统计结果可以发布到Tangle，并授权不同的利益相关方，如环境健康和安全专家，生产经理和政府审计部门，以更好地了解工人的健康状况，避免过度疲劳或伤害。