[論文レビュー] Automated Remote Patient Monitoring: Data Sharing and Privacy Using Blockchain

Gautam Srivastava, Ashutosh Dhar Dwivedi+1 more|arXiv (Cornell University)|Oct 30, 2018

Blockchain Technology Applications and Security参考文献 3被引用数 25

ひとこと要約

本論文は、GHOSTDAG（GHOSTDAGプロトコル）を用いたスケーラブルでPoWベースのブロックDAGプロトコルを採用した二重ブロックチェーンアーキテクチャを提案し、安全でプライベート、かつ高スループットなリモート患者モニタリングを実現する。プライベートブロックチェーン上のスマートコントラクトを活用してリアルタイムでの健康データ分析を実現し、異常値の読み取りの際のみパブリックブロックチェーンにイベントを記録することで、ヒッパ規約準拠を確保するとともに、データの肥大化を防ぎ、ブロックチェーンによるEHR連携による監査可能性を高める。

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.

研究の動機と目的

• ブロックチェーン技術を用いてリモート患者モニタリング（RPM）システムにおけるプライバシーとスケーラビリティの課題を解決すること。
• ビットコインのような従来のブロックチェーン（例：Bitcoin）の限界によるスループットの低さと高レイテンシを、医療データワークロードにおいて克服すること。
• 患者の健康データの機密性を維持しつつ、検証可能で改ざん不能な記録を可能にするシステムを設計すること。
• 患者の健康データをブロックチェーン上に保存せず、イベントのメタデータのみをブロックチェーンに記録することで、ヒッパ規約準拠を確保すること。
• GHOSTDAGベースのブロックDAGが、リアルタイムRPMに適した高スループット、安全で効率的な取引処理を実現できることを実証すること。

提案手法

• システムは、ウェアラブルIoTデバイスからのリアルタイム健康データを分析するためのプライベートブロックチェーンとスマートコントラクトを採用する。
• 患者のデータはモバイルデバイスで集約され、事前に定義されたしきい値と照合するためのプライベートブロックチェーンに送信される。
• 健康データの測定値がしきい値を超えた場合にのみ、スマートコントラクトがパブリックブロックチェーンイベントをトリガーし、改ざん防止の取引としてアラートを記録する。
• GHOSTDAGプロトコルは、ブロックを有向非巡回グラフ（DAG）に構造化し、k=3のkクラスタを形成するためのグリーディアルゴリズムを用いることで、スループットの向上と確認レイテンシの低減を実現する。
• システムは、ブロックチェーン上に完全な健康記録を保存せず、代わりにブロックチェーンイベントを電子的健康記録（EHR）にリンクすることで、監査可能性とデータ整合性を確保する。
• 指定されたノードがブロックの検証とスマートコントラクトの実行を担当し、患者、医療提供者、デバイス製造元などの承認済みエンティティにのみアクセスを制限する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 GHOSTDAGベースのブロックDAGプロトコルは、従来のブロックチェーンと比較して、リモート患者モニタリングにおいてより高いスループットと低いレイテンシを達成できるか？
• RQ2 RPMシステムにおいて、検証可能で監査可能なデータ共有を実現しつつ、患者のデータプライバシーをどのように保護できるか？
• RQ3 プライベートブロックチェーン上のスマートコントラクトが、データ機密性を損なわずにリアルタイムでの健康データ分析をどの程度実行できるか？
• RQ4 ブロックチェーンを用いて、オンチェーンに機密データを保存せずに、電子的健康記録（EHR）の改ざん検出と認証をどのように実現できるか？
• RQ5 プライベートチェーンで分析、パブリックチェーンでイベントログを記録する二重ブロックチェーンアーキテクチャは、医療システムにおいてスケーラビリティ、プライバシー、監査可能性のバランスをどのように達成できるか？

主な発見

• GHOSTDAGプロトコルは、ブロックを有向非巡回グラフ（DAG）に構造化することで、k=3の場合に1時間当たり最大4ブロックの高スループット取引処理を可能にする。
• kクラスタ形成のためのグリーディアルゴリズムを用いることで、GHOSTDAGはNP困難な最大kクラスタ問題を回避し、PHANTOMと比較してリアルタイムRPMシステムにおいてより実用的である。
• パブリックブロックチェーンに記録されるのは、異常値のアラートなどのイベントメタデータのみであり、ストレージの肥大化を著しく低減し、ヒッパ規約準拠を維持する。
• ブロックチェーン取引をEHRにリンクすることで、医療記録への不正な改ざんの検出が可能になり、データ整合性が確保される。
• プライベートチェーンで機密データ処理を実行し、パブリックチェーンでイベントログを記録することで、迅速で安全かつスケーラブルなリモートモニタリングが実現される。
• スマートコントラクト実行とブロック検証に指定されたノードを用いることで、露出リスクが低減され、データ漏洩のリスクが削減される。