李 超，張艷玲，張清媛

(1.山東第一醫(yī)科大學(xué) 第二附屬醫(yī)院，山東 泰安 271000；2.山東第一醫(yī)科大學(xué) 醫(yī)學(xué)信息工程學(xué)院，山東 泰安 271016)

0 引言

當(dāng)前的醫(yī)療系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)網(wǎng)絡(luò)，依賴(lài)于對(duì)患者的連續(xù)監(jiān)控、數(shù)據(jù)共享和流式傳輸[1]，憑借先進(jìn)的大數(shù)據(jù)分析為患者提供必要的醫(yī)療服務(wù)[2]。隨著物聯(lián)網(wǎng)(IoT)技術(shù)在現(xiàn)代醫(yī)療系統(tǒng)中的不斷發(fā)展，為患者和醫(yī)療專(zhuān)業(yè)人員帶來(lái)了便利。各種可穿戴式IoT監(jiān)測(cè)設(shè)備采集不同類(lèi)型的病理數(shù)據(jù)并最終傳輸?shù)结t(yī)院云服務(wù)器中，這對(duì)醫(yī)療系統(tǒng)的隱私性和安全性提出了更高的要求[3]。可穿戴式醫(yī)療數(shù)據(jù)采集設(shè)備有智能心電圖機(jī)、藍(lán)牙血糖測(cè)量設(shè)備和3G血壓測(cè)量設(shè)備等，主要用于監(jiān)測(cè)心率、血糖和血壓等各種生理癥狀[4]，并最終為疾病預(yù)測(cè)系統(tǒng)(DPS)提供數(shù)據(jù)支撐。然而，在現(xiàn)代醫(yī)療系統(tǒng)中，個(gè)人數(shù)據(jù)隱私越來(lái)越受到關(guān)注，尤其是涉及敏感的個(gè)人醫(yī)療數(shù)據(jù)。個(gè)人醫(yī)療數(shù)據(jù)面臨非法共享機(jī)密信息、非法使用私人數(shù)據(jù)、個(gè)人身份、敏感數(shù)據(jù)暴露等系列隱私問(wèn)題[5]。因此，醫(yī)療系統(tǒng)必須同時(shí)兼顧數(shù)據(jù)隱私的安全性和疾病預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性。

對(duì)于患者數(shù)據(jù)隱私保護(hù)方面，文獻(xiàn)[6]使用隨機(jī)森林(RF)技術(shù)的隱私保護(hù)計(jì)算協(xié)議，結(jié)合屬于多個(gè)終端的醫(yī)療系統(tǒng)提供安全訓(xùn)練，并能夠做出準(zhǔn)確疾病預(yù)測(cè)。此外，原始數(shù)據(jù)可執(zhí)行安全和計(jì)算處理并保存在云中。文獻(xiàn)[7]提出了隱私保護(hù)單決策樹(shù)方法，使用同態(tài)加密方式保護(hù)用戶(hù)數(shù)據(jù)，通過(guò)相同的密鑰對(duì)生成隨機(jī)數(shù)來(lái)防止攻擊方解密數(shù)據(jù)，然而，同態(tài)加密提供的安全性較差。文獻(xiàn)[8]開(kāi)發(fā)了一種基于深度Q學(xué)習(xí)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)框架，采用隱私保護(hù)方法(DQ-NNPP)，以保護(hù)從醫(yī)療物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備傳輸?shù)拿舾谢颊哚t(yī)療數(shù)據(jù)免受外部威脅。所有這些模型中的數(shù)據(jù)保密性和安全性都較低。此外，在所有上述方法中也普遍缺乏預(yù)測(cè)效率和準(zhǔn)確性。對(duì)于疾病預(yù)測(cè)方面，文獻(xiàn)[9]提出了基于模糊神經(jīng)分類(lèi)器的醫(yī)療保健疾病預(yù)測(cè)系統(tǒng)，然而，云數(shù)據(jù)庫(kù)中的醫(yī)療數(shù)據(jù)的安全性不足。文獻(xiàn)[10]提出了基于多標(biāo)簽k鄰近的多級(jí)醫(yī)學(xué)預(yù)診斷系統(tǒng)(ML-kNN)，通過(guò)服務(wù)器自動(dòng)減少需要使用k均值聚類(lèi)計(jì)算的醫(yī)療保健實(shí)例的數(shù)量，并結(jié)合基于ML-kNN分類(lèi)向醫(yī)療保健用戶(hù)提供服務(wù)。然而，該系統(tǒng)的計(jì)算復(fù)雜度較高。文獻(xiàn)[11]提出了利用云和基于物聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)庫(kù)的預(yù)測(cè)方法，用于預(yù)測(cè)使用從生物傳感器收集的患者數(shù)據(jù)的疾病。

為了在保護(hù)患者數(shù)據(jù)安全的前提下對(duì)疾病進(jìn)行有效預(yù)測(cè)，DPS必須通過(guò)使用醫(yī)療數(shù)據(jù)建立分類(lèi)預(yù)測(cè)模型，并且不能與第三方進(jìn)行共享以防止數(shù)據(jù)泄密[12]。DPS能夠提高診斷的速度和準(zhǔn)確性，并且提高醫(yī)療服務(wù)的質(zhì)量，因此，預(yù)測(cè)效率也是構(gòu)建DSP時(shí)應(yīng)考慮的關(guān)鍵因素。文獻(xiàn)[13]提出了一種有效且保密的疾病預(yù)測(cè)系統(tǒng)?；颊呔驮\的醫(yī)療記錄被加密并發(fā)送到云服務(wù)器，使用單層感知器學(xué)習(xí)方法訓(xùn)練預(yù)測(cè)模型，同時(shí)仍然保持患者隱私。文獻(xiàn)[14]提出了以混合推理為中心的隱私感知疾病預(yù)測(cè)支持系統(tǒng)(PDPSS)。利用模糊集理論、k鄰近和以案例為中心的推理組合優(yōu)勢(shì)改進(jìn)的預(yù)測(cè)結(jié)果，從而將疾病預(yù)測(cè)支持系統(tǒng)(DPSS)擴(kuò)展到以Pailliers同態(tài)加密為中心的PDPSS，從而保護(hù)患者的敏感數(shù)據(jù)免受非法用戶(hù)訪問(wèn)，然而，該系統(tǒng)具有較高的通信和計(jì)算成本。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)

本文構(gòu)建了隱私保護(hù)疾病預(yù)測(cè)系統(tǒng)架構(gòu)，利用加密組合文本生成密鑰提高了系統(tǒng)認(rèn)證階段的隱私性，提出了基于對(duì)數(shù)循環(huán)值的橢圓曲線密碼體制(LR-ECC)的數(shù)據(jù)加密方法，增強(qiáng)了數(shù)據(jù)傳輸階段的醫(yī)療數(shù)據(jù)的安全性。采用基于象群遺傳算法的的深度學(xué)習(xí)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(EHGA-DLNN)分類(lèi)技術(shù)對(duì)IoT監(jiān)測(cè)設(shè)備采集的感知數(shù)據(jù)進(jìn)行分類(lèi)，提高了DPS階段疾病預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理

為了在醫(yī)療系統(tǒng)中有效地保護(hù)數(shù)據(jù)安全性并準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)疾病，本文構(gòu)建了面向醫(yī)療系統(tǒng)的隱私保護(hù)疾病預(yù)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了保護(hù)患者數(shù)據(jù)的隱私性和疾病預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性。由于IoT傳感器設(shè)備穿戴在患者身體上，并考慮到部署以太網(wǎng)的復(fù)雜性和WIFI網(wǎng)絡(luò)的局限性，本文的整體網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)采用窄帶物聯(lián)網(wǎng)(NB-IoT)技術(shù)原理，NB-IoT是一種部署于GMS網(wǎng)絡(luò)或LTE網(wǎng)絡(luò)上的低頻段、低速率的網(wǎng)絡(luò)，支持低功率設(shè)備在廣域網(wǎng)絡(luò)的蜂窩數(shù)據(jù)連接，具有海量連接、深度覆蓋、穩(wěn)定可靠、綜合成本低等優(yōu)勢(shì)。該系統(tǒng)分為系統(tǒng)認(rèn)證、安全數(shù)據(jù)傳輸和疾病預(yù)測(cè)系統(tǒng)(DPS)3個(gè)階段。用戶(hù)利用醫(yī)院的移動(dòng)APP或網(wǎng)站向相應(yīng)醫(yī)院進(jìn)行注冊(cè)，當(dāng)使用有效的認(rèn)證方法成功完成登錄后，則傳感器值將通過(guò)霧層安全上傳至醫(yī)院云服務(wù)器。同時(shí)，相應(yīng)的醫(yī)生可以安全地下載患者數(shù)據(jù)，并使用分類(lèi)模型準(zhǔn)確地完成疾病預(yù)測(cè)。本文提出的隱私保護(hù)疾病預(yù)測(cè)系統(tǒng)架構(gòu)，如圖1所示。

2 系統(tǒng)認(rèn)證階段

為了加強(qiáng)系統(tǒng)和信息傳輸?shù)陌踩?，本文在醫(yī)生、醫(yī)護(hù)人員和醫(yī)院云服務(wù)器、患者和醫(yī)院云服務(wù)器以及醫(yī)院和醫(yī)院云服務(wù)器之間設(shè)計(jì)了認(rèn)證功能。系統(tǒng)認(rèn)證階段分為注冊(cè)、登錄和驗(yàn)證3個(gè)部分。

2.1 注冊(cè)

在各種IoT設(shè)備訪問(wèn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)之前，需經(jīng)過(guò)系統(tǒng)管理員的批準(zhǔn)。當(dāng)批準(zhǔn)通過(guò)后，管理員將數(shù)據(jù)反饋給IoT設(shè)備進(jìn)行認(rèn)證。注冊(cè)過(guò)程包括如下4個(gè)部分。

1)患者詳細(xì)信息：

用戶(hù)在注冊(cè)時(shí)提供患者詳細(xì)信息，患者詳細(xì)信息包含用戶(hù)名、患者姓名、性別、年齡、地址、密碼、患者ID、醫(yī)院ID、醫(yī)生名稱(chēng)等，通過(guò)移動(dòng)APP或網(wǎng)站輸入并保存到數(shù)據(jù)庫(kù)中?；颊咴敿?xì)信息集可以表示為：

(1)

2)組合文本：

輸入患者詳細(xì)信息后，將用戶(hù)ID和醫(yī)院ID合并為組合文本，組合文本可以表示為：

(2)

3)加密組合文本：

在注冊(cè)期間完成組合文本后執(zhí)行加密過(guò)程，從而使用替換密碼將組合文本轉(zhuǎn)換為密碼。替換密碼是根據(jù)預(yù)設(shè)系統(tǒng)將明碼轉(zhuǎn)化為密碼的加密方式。在所有的替換密碼中，密碼字母僅為明碼字母的簡(jiǎn)單循環(huán)移位[15]。此外，密碼元素包括數(shù)字、標(biāo)點(diǎn)符號(hào)和26個(gè)字母。組合文本的加密可以表示為：

(3)

在驗(yàn)證時(shí)，密碼由醫(yī)院云服務(wù)器發(fā)送給數(shù)據(jù)所有者。當(dāng)用戶(hù)試圖下載醫(yī)院云服務(wù)器中任何文件時(shí)，則醫(yī)院云服務(wù)器會(huì)要求用戶(hù)輸入密碼。當(dāng)用戶(hù)輸入并發(fā)送正確的密碼時(shí)，醫(yī)院云服務(wù)器將用戶(hù)驗(yàn)證為授權(quán)用戶(hù)，并允許用戶(hù)訪問(wèn)數(shù)據(jù)。則替換密碼可以表示為：

(4)

(5)

4)密鑰生成：

醫(yī)院云服務(wù)器負(fù)責(zé)創(chuàng)建公鑰和私鑰，其中，公鑰自動(dòng)生成并保存在醫(yī)院云服務(wù)器中；私鑰則發(fā)送到用戶(hù)注冊(cè)期間提供的電子郵件。公鑰與私鑰的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

(6)

(7)

2.2 登錄

登錄功能是用于驗(yàn)證用戶(hù)的憑證集。當(dāng)用戶(hù)請(qǐng)求登錄時(shí)，則醫(yī)院云服務(wù)器負(fù)責(zé)驗(yàn)證用戶(hù)輸入的用戶(hù)ID和密碼。如果用戶(hù)提供了正確的私鑰，則通過(guò)醫(yī)院云服務(wù)器執(zhí)行文本文件的解密并通過(guò)霧層傳輸給用戶(hù)。當(dāng)私鑰不正確時(shí)，則拒絕用戶(hù)訪問(wèn)醫(yī)院云服務(wù)器。

2.3 驗(yàn)證

驗(yàn)證功能在系統(tǒng)登錄后執(zhí)行。系統(tǒng)將匹配用戶(hù)ID和密碼。如果所有詳細(xì)信息都匹配，則系統(tǒng)最終確定用戶(hù)已向相應(yīng)的HCS完成注冊(cè)。否則，系統(tǒng)返回到注冊(cè)階段。

3 數(shù)據(jù)安全傳輸階段

(8)

4 疾病預(yù)測(cè)系統(tǒng)(DPS)階段

DPS是預(yù)測(cè)疾病在患者身上出現(xiàn)可能性的過(guò)程，利用IoT感測(cè)值來(lái)確定患者是否患有疾病。DPS階段分為數(shù)據(jù)收集、預(yù)處理、矩陣表示、矩陣降維和分類(lèi)5個(gè)部分。

4.1 數(shù)據(jù)收集

DPS收集疾病數(shù)據(jù)集并形成數(shù)據(jù)庫(kù)，用于處理的疾病數(shù)據(jù)集可以表示為：

(9)

其中：hj為疾病數(shù)據(jù)信息，m為疾病數(shù)據(jù)的數(shù)量。

4.2 預(yù)處理

由于IoT采集的數(shù)據(jù)集可能包含重復(fù)數(shù)據(jù)，為了避免重復(fù)訓(xùn)練相同的信息，降低系統(tǒng)計(jì)算的復(fù)雜度。本文通過(guò)重復(fù)數(shù)據(jù)刪除方式[18]來(lái)消除冗余數(shù)據(jù)。重復(fù)數(shù)據(jù)刪除是通過(guò)避免重復(fù)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和節(jié)省帶寬來(lái)有效管理云存儲(chǔ)空間的方法。重復(fù)數(shù)據(jù)刪除分為缺失值插補(bǔ)和最小最大歸一化兩個(gè)階段：

1)缺失值插補(bǔ)。當(dāng)IoT采集的數(shù)據(jù)集出現(xiàn)缺失值時(shí)，采用缺失值插補(bǔ)處理數(shù)據(jù)；將缺失數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為替代值的方法稱(chēng)為插補(bǔ)[19]。任何記錄都包含少量缺失值，但可以通過(guò)改變針對(duì)特定屬性的缺失值與平均值來(lái)加載生成缺失值，從而完成缺失值插補(bǔ)。

2)最小最大歸一化。當(dāng)IoT采集的數(shù)據(jù)集消除數(shù)據(jù)冗余(或重復(fù))和不需要的特征(即插入、更新和刪除異常)時(shí)，采用最小最大歸一化處理數(shù)據(jù)。最小最大歸一化是通過(guò)改變特定范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)值，在系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)歸一化的同時(shí)產(chǎn)生高效的輸出[20]。利用最小值和最大值在0～1之間或在-1～1之間更改數(shù)據(jù)值。通過(guò)對(duì)每個(gè)數(shù)據(jù)分別進(jìn)行最小最大處理得到歸一化值：

(10)

以最小值和最大值為中心對(duì)缺失值進(jìn)行替換，可以有效地提高數(shù)據(jù)的完整性。

4.3 矩陣表示

將預(yù)處理后的數(shù)據(jù)作為矩陣表示。通常，預(yù)處理后的數(shù)據(jù)表示為L(zhǎng)×P矩陣，其中，L為實(shí)例數(shù)，P為實(shí)驗(yàn)中存在的屬性數(shù)，即性別、年齡、地址等。矩陣中的每個(gè)單元格Ii，j均可等效，則預(yù)處理后的數(shù)據(jù)矩陣表示為：

(11)

4.4 矩陣降維

矩陣降維是將高維空間轉(zhuǎn)換為低維空間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，從而使低維數(shù)據(jù)保留原始數(shù)據(jù)的關(guān)鍵屬性。本文利用高斯核函數(shù)線性判別分析(GK-LDA)算法[21]對(duì)預(yù)處理后的矩陣表示進(jìn)行降維。其中，線性判別分析(LDA)通過(guò)檢測(cè)方向來(lái)降低類(lèi)間散度與類(lèi)內(nèi)散度比來(lái)加密信息，并在降維過(guò)程中實(shí)現(xiàn)監(jiān)督功能[22]。高斯核函數(shù)(GK)用于提高降維后的數(shù)據(jù)還原精度[23]。GK-LDA算法的具體步驟如下。

(12)

(13)

其中：

(14)

(15)

其中：Dn和Dm為數(shù)據(jù)點(diǎn)，sm為第m類(lèi)樣本的數(shù)量，s為數(shù)據(jù)矩陣表示中樣本的數(shù)量。

步驟3：為了提高降維后的數(shù)據(jù)還原精度，利用GK計(jì)算數(shù)據(jù)點(diǎn)之間的距離，即權(quán)重：

(16)

其中：γmn為數(shù)據(jù)點(diǎn)Dn和Dm之間的超參數(shù)。

步驟4：在LDA搜索線性子空間R(c-1分量)中，利用不同類(lèi)別的投影得到最佳劃分，結(jié)合最大化后續(xù)判別準(zhǔn)則可得：

(17)

其中：Tom(·)為矩陣的跡，R為特征向量。除了R的正交約束外，可以計(jì)算廣義特征向量和特征值：

(18)

(19)

4.5 基于象群遺傳算法的的深度學(xué)習(xí)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(EHGA-DLNN)分類(lèi)

將(Hrf)v輸入到分類(lèi)器，利用EHGA-DLNN算法[24]對(duì)訓(xùn)練數(shù)據(jù)進(jìn)行分類(lèi)。正常的深度學(xué)習(xí)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(DLNN)[25]也可對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分類(lèi)，然而，隨機(jī)權(quán)重值對(duì)正常和疾病嚴(yán)重程度的分類(lèi)精度較低。利用遺傳算法(GA)[26]對(duì)象群進(jìn)行優(yōu)化，可以減少DLNN算法中的反向傳播問(wèn)題。DLNN分為輸入層、隱藏層和輸出層。

4.5.1 輸入層

將預(yù)處理后的矩陣降維集(Hrf)v用于訓(xùn)練系統(tǒng)，并確定其等效權(quán)重，其描述如下：

(Hrf)v={hi}，i∈[1，k]

(20)

(Wew)v={wi}，i∈[1，k]

(21)

象群優(yōu)化算法(EHO)是以種群為中心的優(yōu)化技術(shù)，主要分為氏族更新算子和分離算子[27]。將GA的交叉變異與EHO中的更新步驟相結(jié)合得到象群遺傳算法(EHGA)[28]，從而提高搜索精度。EHGA具體步驟如下：

初始化種群空間、置信空間和可調(diào)算子。當(dāng)涉及到氏族更新時(shí)，通過(guò)搜索策略更新大象的位置：

(22)

Tw，xl=T[(Tmin)max·fr]min

(23)

其中：Tw，xl為氏族xl上具有最差適應(yīng)值的公象，Tmin和Tmax分別為搜索空間的上限和下限，fr為[0，1]范圍內(nèi)的隨機(jī)數(shù)。

將GA的交叉變異與EHO中的更新步驟相結(jié)合，從而提高搜索精度。因此，在公式(23)更新新位置之前，利用交叉變異中的兩點(diǎn)交叉可以得到：

T(t+1)=Tfr(t)+C1+C2

(24)

(25)

(26)

其中：t為迭代次數(shù)，C1和C2為交叉點(diǎn)的兩個(gè)點(diǎn)。

使用EHO算法更新新位置得到最優(yōu)權(quán)重：

(27)

將輸入值乘以權(quán)重后累加得到分配值：

(28)

因此，輸入到隱藏層的激活函數(shù)為：

(29)

4.5.2 隱藏層

隱藏層的輸出值為：

(30)

其中：Bias為偏置值。

4.5.3 輸出層

輸出層的輸出值為：

(31)

計(jì)算損失函數(shù)為：

(32)

算法1:EHGA-DLNN算法輸入:矩陣降維集(Hrf)v

輸出:受疾病影響的分類(lèi)數(shù)據(jù)

計(jì)算訓(xùn)練樣本數(shù)λ

ifλ=0

錯(cuò)誤(λ不是整數(shù))

end if

for 每個(gè)減少的數(shù)據(jù) do

使用EHGA更新權(quán)重值的位置

使用如下公式更新新位置

whilev小于迭代次數(shù) do

則使用如下公式執(zhí)行激活函數(shù)

計(jì)算隱藏層的輸出

計(jì)算輸出層的輸出

end for

end while

5 實(shí)驗(yàn)分析

為了對(duì)患者數(shù)據(jù)在傳輸過(guò)程實(shí)現(xiàn)隱私保護(hù)，并將IoT感測(cè)數(shù)據(jù)按嚴(yán)重程度分為正常數(shù)據(jù)和疾病數(shù)據(jù)。利用醫(yī)療數(shù)據(jù)集在JAVA中運(yùn)行實(shí)驗(yàn)評(píng)估本文方法的有效性。在數(shù)據(jù)安全傳輸階段，利用數(shù)據(jù)安全傳輸時(shí)間和安全級(jí)別分析所提出的LR-ECC方法的安全性。在DPS階段，采用不同的分類(lèi)算法與所提出的EHGA-DLNN方法對(duì)比驗(yàn)證疾病分類(lèi)預(yù)測(cè)有效性。EHGA-DLNN算法的具體參數(shù)設(shè)置如下：1)EHO中的象群種群數(shù)量為5，最大迭代次數(shù)為100，族長(zhǎng)效應(yīng)比例因子為0.5；2)GA中的交叉率設(shè)置為0.6，變異率為0.2；3)DLNN中的學(xué)習(xí)率為0.01，衰減系數(shù)為0.99。

5.1 評(píng)估參數(shù)

本文選取加密時(shí)間、解密時(shí)間、準(zhǔn)確率、靈敏度、特異性、精度、召回率和F1值等8個(gè)指標(biāo)作為評(píng)估參數(shù)。

1)加密時(shí)間：加密開(kāi)始和結(jié)束時(shí)間與加密算法從明碼構(gòu)造密碼所用時(shí)間之差。

2)解密時(shí)間：加密開(kāi)始和結(jié)束時(shí)間之差。

3)準(zhǔn)確率：準(zhǔn)確地確定記錄可能是正?；蚴芗膊∮绊懙母怕?。

4)敏感性：正確區(qū)分正常和疾病的比率。

5)特異性：影響總分類(lèi)結(jié)果的疾病分類(lèi)準(zhǔn)確率。

6)精度：對(duì)于某個(gè)類(lèi)別，準(zhǔn)確記錄屬于該類(lèi)別的概率。

7)召回率：對(duì)于特定類(lèi)別，數(shù)據(jù)集中所有可用記錄中準(zhǔn)確預(yù)測(cè)受疾病影響結(jié)果的計(jì)數(shù)。

8)F1值：利用精度和召回率對(duì)模型進(jìn)行整體估計(jì)的調(diào)和均值。

5.2 安全級(jí)別性能分析

本文利用加密時(shí)間和解密時(shí)間分析所提出LR-ECC方法在數(shù)據(jù)安全傳輸?shù)男阅埽⑴c與橢圓曲線密碼編碼學(xué)(ECC)[17]、非對(duì)稱(chēng)加密(RSA)[29]、全同態(tài)加密(FHE)[30]和迪菲-赫爾曼(DH)算法[31]進(jìn)行比較。數(shù)據(jù)安全傳輸時(shí)間性能比較，如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)安全傳輸時(shí)間性能對(duì)比

由圖2可見(jiàn)，為了安全傳輸10～50 kB不等的文件。對(duì)于加密時(shí)間指標(biāo)，本文提出的LR-ECC方法加密10 kB的文件僅需465 ms。相比之下，ECC、RSA、FHE和DH算法分別需要801 ms、1 013 ms、1 346 ms和1 646 ms執(zhí)行加密。類(lèi)似地，LR-ECC方法對(duì)20～50 kB的文件加密實(shí)現(xiàn)了更優(yōu)異的性能。對(duì)于解密時(shí)間指標(biāo)，LR-ECC方法解密10 kB的文件僅需475 ms。相比之下，其他方法的性能明顯低于LR-ECC方法。類(lèi)似地，LR-ECC方法對(duì)20～50 kB的文件解密同樣實(shí)現(xiàn)了更優(yōu)異的性能。因此，在數(shù)據(jù)安全傳輸階段，與其他方法相比，本文提出的LR-ECC方法在傳輸時(shí)間效率方面具有較高的性能。

本文提出的LR-ECC方法與ECC、RSA、FHE和DH算法的安全級(jí)別對(duì)比，如圖3所示。

圖3 安全級(jí)別對(duì)比

由圖3可見(jiàn)，本文提出的LR-ECC方法安全性達(dá)到98.87%，而ECC、RSA、FHE和DH算法的安全性分別為96.43%、95.89%、92.18%和87.67%。因此，在數(shù)據(jù)安全傳輸階段，與其他方法相比，本文提出的LR-ECC方法在傳輸安全性方面具有較高的性能。

5.3 疾病預(yù)測(cè)分類(lèi)性能分析

利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(ANN)[32]、DLNN[25]、kNN[10]、支持向量機(jī)(SVM)[33]與本文提出的EHGA-DLNN方法對(duì)疾病預(yù)測(cè)分類(lèi)進(jìn)行對(duì)比。如表1所示。

表1 分類(lèi)方法性能比較

由表1可見(jiàn)，與其他分類(lèi)方法相比，所提出的EHGA-DLNN方法在疾病預(yù)測(cè)分類(lèi)方面具有較高的性能。同時(shí)，就F1值和召回率等統(tǒng)計(jì)量而言，取得的結(jié)果表明，在DPS階段，與其他方法相比，本文提出的EHGA-DLNN方法能夠更快、更準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)疾病的嚴(yán)重程度。

6 結(jié)束語(yǔ)

在使用IoT設(shè)備的現(xiàn)代醫(yī)療系統(tǒng)中，患者的隱私和敏感醫(yī)療數(shù)據(jù)的安全性面臨風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)，為了有效地通過(guò)IoT感測(cè)數(shù)據(jù)及時(shí)對(duì)疾病預(yù)測(cè)進(jìn)行分類(lèi)，本文構(gòu)建了面向醫(yī)療系統(tǒng)的隱私保護(hù)疾病預(yù)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了保護(hù)患者數(shù)據(jù)的隱私性和疾病預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性。通過(guò)加密組合文本方式建立了系統(tǒng)加密認(rèn)證，采用LR-ECC算法對(duì)IoT設(shè)備采集的感知數(shù)據(jù)進(jìn)行加密，結(jié)合EHGA-DLNN分類(lèi)技術(shù)對(duì)疾病數(shù)據(jù)進(jìn)行分類(lèi)。所提出的LR-ECC方法在加密時(shí)間、解密時(shí)間和安全級(jí)別分析方面，均優(yōu)于傳統(tǒng)ECC、RSA、FHE和DH算法的性能，且能夠達(dá)到98.87%的安全級(jí)別。同時(shí)，EHGA-DLNN方法在疾病預(yù)測(cè)分類(lèi)方面，均優(yōu)于現(xiàn)有DLNN、ANN、KNN和SVM的性能，且準(zhǔn)確率達(dá)到98.35%。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文方法在醫(yī)療系統(tǒng)的安全性和疾病預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性均具有更高的效率。在未來(lái)的研究中，可使用更通用的策略來(lái)改進(jìn)模型，從而在保持更高的安全性和隱私性的同時(shí)處理其他數(shù)據(jù)集類(lèi)型。