[논문 리뷰] Automated Remote Patient Monitoring: Data Sharing and Privacy Using Blockchain

Gautam Srivastava, Ashutosh Dhar Dwivedi외 1명|arXiv (Cornell University)|2018. 10. 30.

Blockchain Technology Applications and Security참고 문헌 3인용 수 25

한 줄 요약

이 논문은 GHOSTDAG, 즉 확장성 있고 PoW 기반의 blockDAG 프rotocol를 사용하는 이중 블록체인 아키텍처를 제안하여, 안전하고 비밀스럽고 고처리량인 원격 환자 모니터링을 가능하게 한다. 이는 개인 블록체인 스마트 컨트랙트를 활용해 실시간 건강 데이터 분석을 수행하고, 비정상적인 읽기 값만 공개 블록체인 이벤트로 전송함으로써 HIPAA 규정 준수를 보장하면서도 데이터 팽창을 방지하고 블록체인 기반 EHR 연동을 통해 감사 가능성을 향상시킨다.

ABSTRACT

The revolution of Internet of Things (IoT) devices and wearable technology has opened up great possibilities in remote patient monitoring. To streamline the diagnosis and treatment process, healthcare professionals are now adopting the wearable technology. However, these technologies also pose grave privacy risks and security concerns about the transfer and the logging of data transactions. One solution to protect privacy in healthcare is the use of blockchain technology. However, one of the primary problems with blockchain is its highly limited scalability. In this work here, we propose the utilization of a blockchain based protocol to provide secure management and analysis of data. In this paper we use recently introduced PoW based protocol GHOSTDAG, that generalizes Satoshi's blockchain to a direct acyclic graph of blocks (blockDAG) and provides high throughput while also avoiding the security-scalability problem. We use two blockchains based on the original GHOSTDAG protocol, one that is private and one that is public. Using a private blockchain, we create a system where we use smart contracts to analyze patient health data. If the smart contract for any reason issues an alert for an abnormal reading then the system makes the record of that event to the public blockchain. This would resolve the privacy and security vulnerabilities associated with remote patient monitoring and also the limited scalability problem of Satoshi's original blockchain.

연구 동기 및 목표

• 블록체인 기술을 활용해 원격 환자 모니터링(RPM) 시스템에서의 프라이버시 및 확장성 과제를 해결하기 위해.
• 비트코인과 같은 전통적인 블록체인의 의료 데이터 워크로드에서의 제한된 처리량과 높은 지연 시간을 극복하기 위해.
• 환자의 건강 데이터 기밀성을 유지하면서도 중요한 건강 이벤트의 검증 가능하고 불변성 있는 로깅을 가능하게 하기 위해.
• 민감한 건강 데이터는 중앙 집중식 EHR 시스템에 저장하고 블록체인에는 이벤트 메타데이터만 저장함으로써 HIPAA 규정 준수를 확보하기 위해.
• GHOSTDAG 기반 blockDAG가 실시간 RPM에 적합한 고처리량, 안전하고 효율적인 거래 처리를 가능하게 함을 입증하기 위해.

제안 방법

• 시스템은 웨어러블 IoT 기기에서 유입되는 실시간 건강 데이터를 분석하기 위해 개인 블록체인과 스마트 컨트랙트를 사용한다.
• 환자의 데이터는 모바일 기기에서 집계되어 사전 정의된 임계값과 비교하기 위해 개인 블록체인으로 전송된다.
• 건강 읽기 값이 임계값을 초과할 경우 스마트 컨트랙트가 작동하여 공개 블록체인 이벤트를 트리거하고, 경고를 변조 불가능한 거래로 기록한다.
• GHOSTDAG 프로토콜은 블록을 방향성 있는 비순환 그래프(DAG)로 구성하며, k=3일 때 그리디 알고리즘을 사용해 k-클러스터를 형성하여 처리량을 향상시키고 확인 지연 시간을 줄인다.
• 시스템은 블록체인에 전체 건강 기록을 저장하지 않고, 대신 감사 가능성과 데이터 무결성을 확보하기 위해 블록체인 이벤트를 전자 건강 기록(EHR)과 연결한다.
• 지정된 노드들이 블록 검증 및 스마트 컨트랙트 실행을 담당하며, 환자, 의료 제공자, 기기 제조사와 같은 권한 있는 실체에만 액세스를 제한한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 GHOSTDAG 기반 blockDAG 프로토콜은 전통적인 블록체인보다 원격 환자 모니터링에서 더 높은 처리량과 낮은 지연 시간을 달성할 수 있는가?
• RQ2 RPM 시스템에서 검증 가능하고 감사 가능한 데이터 공유를 실현하면서도 환자 데이터 프라이버시를 어떻게 유지할 수 있는가?
• RQ3 개인 블록체인 상의 스마트 컨트랙트가 데이터 기밀성을 훼손하지 않으면서 실시간 건강 데이터 분석을 얼마나 잘 수행할 수 있는가?
• RQ4 민감한 데이터를 체인에 저장하지 않고도 블록체인을 어떻게 활용해 전자 건강 기록(EHR)의 위변조를 인증하고 탐지할 수 있는가?
• RQ5 이중 블록체인 아키텍처(개인 블록체인은 분석용, 공개 블록체인은 이벤트 로깅용)는 의료 시스템에서 확장성, 프라이버시, 감사 가능성을 얼마나 잘 균형 잡을 수 있는가?

주요 결과

• GHOSTDAG 프로토콜은 블록을 방향성 있는 비순환 그래프(DAG)로 구성함으로써 고처리량 거래 처리를 가능하게 하며, k=3일 때 시간 단위당 최대 네 개의 블록을 처리할 수 있다.
• k-클러스터 형성을 위한 그리디 알고리즘을 사용함으로써 GHOSTDAG는 NP-완전 문제인 최대 k-클러스터 문제를 피하여 PHANTOM보다 실시간 RPM 시스템에 더 실용적이다.
• 공개 블록체인에 기록되는 것은 경고와 같은 비정상적인 읽기 값의 메타데이터뿐이므로 저장소 팽창을 크게 줄이고 HIPAA 규정 준수를 유지한다.
• 블록체인 거래를 EHR와 연결함으로써 데이터 무결성을 보장하고, 의료 기록의 무단 수정을 탐지할 수 있다.
• 개인 블록체인에서 민감한 데이터 처리를, 공개 블록체인에서 이벤트 로깅을 분리함으로써 시스템은 빠르고 안전하며 확장 가능한 원격 모니터링을 달성한다.
• 스마트 컨트랙트 실행 및 블록 검증을 위한 지정된 노드의 사용은 노출 범위를 제한하고 보안을 강화하여 데이터 泄露 위험을 줄인다.