魏 晉，降 惠，武麗娟

(長(zhǎng)治醫(yī)學(xué)院計(jì)算機(jī)教學(xué)部，山西 長(zhǎng)治 046000)

0 引言

利用計(jì)算機(jī)技術(shù)、大數(shù)據(jù)技術(shù)對(duì)醫(yī)療數(shù)據(jù)進(jìn)行挖掘與分析，發(fā)現(xiàn)醫(yī)療數(shù)據(jù)之間的潛在聯(lián)系及規(guī)律，是臨床診斷、精準(zhǔn)醫(yī)療、疾病防控決策等領(lǐng)域進(jìn)行科學(xué)研究的重要前提[1]。在這樣的背景下，人們對(duì)于醫(yī)療隱私數(shù)據(jù)的共享就提出了更高的要求。

當(dāng)前，醫(yī)療數(shù)據(jù)大多處于“云”模式架構(gòu)，數(shù)據(jù)在存儲(chǔ)、傳輸與科學(xué)計(jì)算等過程中存在被篡改、截取和泄露等較大風(fēng)險(xiǎn)，而且醫(yī)療數(shù)據(jù)具有較強(qiáng)的隱私性，在“云”模式架構(gòu)下，要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，就必須研究滿足其需求的具體方案。近年來研究者已提出多種方案，其中以區(qū)塊鏈技術(shù)為核心的數(shù)據(jù)共享方案較多[2-6]，還有利用數(shù)據(jù)加密技術(shù)、用戶訪問控制等技術(shù)提出的共享方案[7-10]。在這些方案中，利用量子技術(shù)構(gòu)建數(shù)據(jù)共享模型，實(shí)現(xiàn)醫(yī)療隱私數(shù)據(jù)共享的相關(guān)研究文獻(xiàn)非常少。因此，本文提出一個(gè)以通用盲量子計(jì)算協(xié)議為核心、實(shí)現(xiàn)對(duì)醫(yī)療隱私數(shù)據(jù)進(jìn)行科學(xué)計(jì)算共享服務(wù)的模型方案，旨在為醫(yī)療隱私數(shù)據(jù)的共享提供一種新的解決思路。

1 制約醫(yī)療隱私數(shù)據(jù)共享的主要因素

對(duì)醫(yī)療數(shù)據(jù)進(jìn)行整理、統(tǒng)計(jì)、挖掘與分析等科學(xué)計(jì)算，是在大數(shù)據(jù)技術(shù)背景下對(duì)醫(yī)療數(shù)據(jù)進(jìn)行應(yīng)用的一個(gè)重要內(nèi)容[11]。當(dāng)前，由于各個(gè)醫(yī)療機(jī)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)資源有限，所以要完成大數(shù)據(jù)量的科學(xué)計(jì)算，就會(huì)上傳數(shù)據(jù)到第三方網(wǎng)絡(luò)計(jì)算服務(wù)器。而在數(shù)據(jù)傳輸、科學(xué)計(jì)算、算法執(zhí)行等多個(gè)環(huán)節(jié)都存在數(shù)據(jù)泄露與被篡改的風(fēng)險(xiǎn)。這成為制約醫(yī)療隱私數(shù)據(jù)共享的首要因素。

另外，為了避免在各個(gè)醫(yī)療機(jī)構(gòu)之間傳輸數(shù)據(jù)的過程中出現(xiàn)安全問題，大多數(shù)的醫(yī)療機(jī)構(gòu)采用了閉環(huán)管理模式。雖然隨著數(shù)據(jù)量的不斷增加，越來越多的醫(yī)療機(jī)構(gòu)也采用了由第三方服務(wù)商提供對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、管理的模式。但是在這樣的管理模式下，數(shù)據(jù)更多的還是在第三方云存儲(chǔ)器與醫(yī)療機(jī)構(gòu)內(nèi)部二者之間閉環(huán)運(yùn)行。無法保證在各個(gè)醫(yī)療機(jī)構(gòu)、醫(yī)療區(qū)域之間實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)安全共享，也是制約醫(yī)療隱私數(shù)據(jù)共享的一個(gè)重要原因。

2 盲量子計(jì)算技術(shù)介紹

盲量子計(jì)算（Blind Quantum Computation，簡(jiǎn)稱BQC）是指用戶將用于計(jì)算的數(shù)據(jù)提交給量子計(jì)算服務(wù)器，在完成整個(gè)數(shù)據(jù)計(jì)算的過程中，量子計(jì)算服務(wù)器對(duì)用戶的數(shù)據(jù)輸入、數(shù)據(jù)計(jì)算方法以及計(jì)算結(jié)果等信息都無法獲取。通用盲量子計(jì)算協(xié)議在2009 年被提出[12]，協(xié)議利用了量子糾纏、量子坍縮等量子特性，在計(jì)算過程中保證了數(shù)據(jù)在輸入、輸出與計(jì)算方法的保密性和安全性。盲量子計(jì)算的核心是：量子計(jì)算服務(wù)器通過量子比特糾纏構(gòu)建磚墻態(tài)，磚墻態(tài)結(jié)構(gòu)如圖1所示，構(gòu)建過程如下[12]：

圖1 盲量子計(jì)算磚墻態(tài)

（S1）將每行中的粒子對(duì)(i,j)和(i,j+1)，執(zhí) 行GTRL-Z門操作。

（S2）如果j≡7(mod8)，且i(mod2)≡0，則對(duì)(i,j)、(i+1,j)、(i,j+2)和(i+1,j+2)，執(zhí)行GTRL-Z門操作。（S3）如 果j≡3(mod8)，且i(mod2)?0，則 對(duì)(i,j)、(i+1,j)、(i,j+2)和(i+1,j+2)，執(zhí)行GTRL-Z門操作。

磚墻態(tài)構(gòu)建完成后，量子計(jì)算服務(wù)器通過測(cè)量磚墻態(tài)中量子比特的角度來完成計(jì)算任務(wù)，計(jì)算過程如下[13]：

（S4）Bob根據(jù)測(cè)量角度δx,y、測(cè)量基為在磚墻態(tài)中對(duì)量子比特進(jìn)行測(cè)量，并將測(cè)量結(jié)果發(fā)回給Alice。如果rx,y=1，Alice將測(cè)量結(jié)果取反，否則保持原結(jié)果不變。

（S5）轉(zhuǎn)到（S3）開始下一次測(cè)量任務(wù)，當(dāng)磚墻態(tài)中所有的量子比特都測(cè)量完成后，停止計(jì)算過程的循環(huán)。

3 醫(yī)療隱私數(shù)據(jù)共享模型設(shè)計(jì)

我們提出的醫(yī)療隱私數(shù)據(jù)共享模型要解決兩個(gè)核心問題，一是要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)在進(jìn)行科學(xué)計(jì)算過程中的保密性和安全性；二是要實(shí)現(xiàn)各個(gè)醫(yī)療機(jī)構(gòu)、醫(yī)療區(qū)域之間的數(shù)據(jù)安全共享，使數(shù)據(jù)不再處于閉環(huán)模式。根據(jù)以上需求，我們提出的隱私數(shù)據(jù)共享模型分為數(shù)據(jù)檢索、數(shù)據(jù)傳輸與數(shù)據(jù)科學(xué)計(jì)算三個(gè)邏輯部分，模型結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 醫(yī)療隱私數(shù)據(jù)共享模型結(jié)構(gòu)

3.1 數(shù)據(jù)檢索部分

醫(yī)療數(shù)據(jù)存儲(chǔ)具有廣泛性和封閉性特點(diǎn)，通常保存在各個(gè)醫(yī)療機(jī)構(gòu)中，或是第三方代理的云存儲(chǔ)中。如果每個(gè)請(qǐng)求進(jìn)行數(shù)據(jù)共享的用戶，都向各個(gè)醫(yī)療機(jī)構(gòu)或第三方云存儲(chǔ)服務(wù)器發(fā)出申請(qǐng)，并等待回應(yīng)，這顯然是不現(xiàn)實(shí)的。為了解決這一問題，我們?cè)谔岢龅碾[私數(shù)據(jù)共享模型方案中，引入了數(shù)據(jù)資源查詢服務(wù)器（Data Resource Query Server 簡(jiǎn)稱DRQS）。DRQS不保存實(shí)際的醫(yī)療數(shù)據(jù)，只保存著來自于不同醫(yī)療機(jī)構(gòu)中的各類型醫(yī)療數(shù)據(jù)的目錄索引信息，目錄索引信息包含了數(shù)據(jù)的來源、數(shù)量、體積與屬性等信息。為了保證目錄索引信息的即時(shí)性，DRQS 會(huì)定期根據(jù)各醫(yī)療機(jī)構(gòu)發(fā)送的更新信息，來更新自己的目錄索引內(nèi)容。數(shù)據(jù)檢索部分由請(qǐng)求進(jìn)行數(shù)據(jù)共享的用戶、DRQS服務(wù)器和各個(gè)醫(yī)療機(jī)構(gòu)組成。

3.2 數(shù)據(jù)傳輸部分

當(dāng)前我們的網(wǎng)絡(luò)還是以經(jīng)典網(wǎng)絡(luò)為主，所以為了實(shí)現(xiàn)隱私數(shù)據(jù)共享模型的最大化經(jīng)典，我們引入了可信任中心代理服務(wù)器（Trusted Central Proxy Server，簡(jiǎn)稱TCPS）。通過引入TCPS 并應(yīng)用少量的量子信道，在經(jīng)典網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了模型中各模塊的數(shù)據(jù)傳輸任務(wù)。數(shù)據(jù)傳輸部分由各個(gè)醫(yī)療機(jī)構(gòu)與TCPS之間的經(jīng)典信道、TCPS 與盲量子服務(wù)器之間的量子信道、請(qǐng)求進(jìn)行數(shù)據(jù)共享的用戶與TCPS 之間的經(jīng)典信道共同組成。

3.3 數(shù)據(jù)科學(xué)計(jì)算部分

數(shù)據(jù)科學(xué)計(jì)算部分由盲量子計(jì)算服務(wù)器與TCPS服務(wù)器組成，它是整個(gè)隱私數(shù)據(jù)共享模型的核心。對(duì)隱私數(shù)據(jù)進(jìn)行科學(xué)計(jì)算是根據(jù)用戶提出的要求、以各個(gè)醫(yī)療機(jī)構(gòu)發(fā)送的隱私數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)、按照通用盲量子計(jì)算協(xié)議，由TCPS與盲量子計(jì)算服務(wù)器共同完成。

4 醫(yī)療隱私數(shù)據(jù)共享模型的業(yè)務(wù)流程設(shè)計(jì)

隱私數(shù)據(jù)共享模型的業(yè)務(wù)流程分為提出數(shù)據(jù)共享請(qǐng)求、數(shù)據(jù)資源檢索、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)計(jì)算與數(shù)據(jù)結(jié)果查詢五個(gè)階段，業(yè)務(wù)流程如圖3 所示。我們通過從用戶提出醫(yī)療隱私數(shù)據(jù)共享請(qǐng)求、到最后用戶查詢計(jì)算結(jié)果的一次完整過程，來說明隱私數(shù)據(jù)共享模型的業(yè)務(wù)流程。

圖3 隱私共享模型業(yè)務(wù)流程

用戶首先需要在DRQS 中注冊(cè)身份，注冊(cè)完成后就可以根據(jù)自己的需求發(fā)出數(shù)據(jù)共享請(qǐng)求。DRQS 收到用戶的請(qǐng)求信息后，通過檢索數(shù)據(jù)目錄索引內(nèi)容，確定對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)資源的數(shù)量、來源與體積等信息。DRQS按照檢索結(jié)果向保存該數(shù)據(jù)信息的多個(gè)醫(yī)療機(jī)構(gòu)發(fā)出指令，各個(gè)醫(yī)療機(jī)構(gòu)在收到DRQS發(fā)出的指令后，開始在閉環(huán)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)按指令要求對(duì)醫(yī)療數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總、整理并做好傳輸數(shù)據(jù)的準(zhǔn)備。

各個(gè)醫(yī)療機(jī)構(gòu)將整理好的數(shù)據(jù)通過專用經(jīng)典信道傳送到TCPS 服務(wù)器，TCPS 在確認(rèn)收到信息后，賦予信息惟一的客戶服務(wù)編碼并發(fā)送給DRQS。在隱私數(shù)據(jù)計(jì)算階段，TCPS 首先將經(jīng)典信息轉(zhuǎn)換為量子信息，而后，盲量子計(jì)算服務(wù)器開始構(gòu)建磚墻態(tài)，并與TCPS 共同執(zhí)行盲量子計(jì)算協(xié)議來完成計(jì)算任務(wù)。隱私數(shù)據(jù)計(jì)算完成后，在用戶登錄DRQS 獲取TCPS分配的客戶服務(wù)編碼后，就可以在TCPS 中查看計(jì)算結(jié)果。TCPS 會(huì)在用戶查看計(jì)算結(jié)果后，刪除所有的對(duì)應(yīng)于該用戶的計(jì)算數(shù)據(jù)。

5 隱私數(shù)據(jù)共享模型安全性驗(yàn)證

為了驗(yàn)證數(shù)據(jù)共享模型的安全性，我們從提出數(shù)據(jù)共享請(qǐng)求與檢索、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)計(jì)算與數(shù)據(jù)結(jié)果查詢四個(gè)方面進(jìn)行安全性驗(yàn)證，驗(yàn)證內(nèi)容如表1所示。

表1 隱私數(shù)據(jù)共享模型安全性驗(yàn)證表

6 結(jié)束語(yǔ)

醫(yī)療隱私數(shù)據(jù)如何能安全的共享，以及將其應(yīng)用于科學(xué)研究，一直受到研究者的關(guān)注。本文以通用盲量子計(jì)算協(xié)議算法為理論基礎(chǔ)，從提出共享隱私數(shù)據(jù)請(qǐng)求、數(shù)據(jù)資源查詢、隱私數(shù)據(jù)傳輸、對(duì)隱私數(shù)據(jù)進(jìn)行科學(xué)計(jì)算，查看計(jì)算結(jié)果等流程入手，設(shè)計(jì)了一個(gè)具有醫(yī)療數(shù)據(jù)特點(diǎn)的隱私數(shù)據(jù)共享模型。該模型以經(jīng)典網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)，在保證了資源投入最小、最大化經(jīng)典的情況下，實(shí)現(xiàn)了對(duì)醫(yī)療隱私數(shù)據(jù)的共享。隨著研究的不斷深入，后期我們會(huì)不斷地改進(jìn)醫(yī)療隱私數(shù)據(jù)共享模型方案，使得該方案更加科學(xué)與完善。