[論文レビュー] Blockchain-enabled Internet of Medical Things to Combat COVID-19

Hong‐Ning Dai, Muhammad Imran+1 more|arXiv (Cornell University)|Aug 23, 2020

IoT and Edge/Fog Computing参考文献 11被引用数 9

ひとこと要約

本稿では、新型コロナウイルス感染症のパンデミック期における医療システムのセキュリティ、プライバシー、信頼性を向上させるために、ブロックチェーンを活用した医療のインターネット（IoMT）フレームワークを提案する。ブロックチェーンの改ざん不能性、分散型アーキテクチャ、スマートコントラクトをIoMTデータストリームと統合することで、安全な医療データの履歴追跡、遠隔患者モニタリング、接触追跡、信頼性の高いテレメディスンを実現し、パンデミック対応システムのレジリエンスと信頼性を顕著に向上させる。

ABSTRACT

We are experiencing an unprecedented healthcare crisis caused by newly-discovered corona-virus disease (COVID-19). The outbreaks of COVID-19 reveal the frailties of existing healthcare systems. Therefore, the digital transformation of healthcare systems becomes an inevitable trend. During this process, the Internet of Medical Things (IoMT) plays a crucial role while intrinsic vulnerabilities of security and privacy deter the wide adoption of IoMT. In this article, we present a blockchain-enabled IoMT to address the security and privacy concerns of IoMT systems. We also discuss the solutions brought by blockchain-enabled IoMT to COVID-19 from five different perspectives. Moreover, we outline the open challenges and future directions of blockchain-enabled IoMT.

研究の動機と目的

• 新型コロナウイルス感染症のパンデミック期における、既存のIoMTシステムに見られる深刻なセキュリティおよびプライバシー上の脆弱性に対処すること。
• データの完全性、追跡可能性、アクセス制御を保証する多層構造のブロックチェーンを活用したIoMTアーキテクチャを設計すること。
• ブロックチェーンとIoMTの統合が、接触追跡、遠隔医療、スマート病院運用といったパンデミック対応の主要機能をどのように支援するかを実証すること。
• 分散型かつプライバシー保護型の医療システム分野における未解決の課題と今後の研究方向性を同定すること。

提案手法

• ブロックチェーンと医療用IoTデバイスを統合し、安全なデータ交換を実現する多層構造のブロックチェーンを活用したIoMTフレームワークを設計する。
• 用途要件に基づいて、セキュリティ、パフォーマンス、アクセス制御のバランスを図るために、パブリックブロックチェーン、プライベートブロックチェーン、コンsortiumブロックチェーンを活用する。
• デジタル署名やハッシュ関数などの暗号プリミティブを実装し、データの完全性と否認防止を確保する。
• スマートコントラクトを統合し、医療関係者間でアクセス制御およびデータ共有ポリシーの自動化と信頼性のない実行を可能にする。
• 同型暗号や微分プライバシーなどのプライバシー保護技術を適用し、機微な医療データの保護を強化する。
• フェデレーテッドラーニングとディープラーニングを活用し、AIモデルの学習中にデータ漏洩のリスクを最小限に抑えるために、局所的なエッジデバイスでIoMTデータを分析する。

Figure 1: Blockchain consisting of a number of blocks.

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ブロックチェーン技術は、パンデミック状況下におけるIoMTシステムのセキュリティおよびプライバシーをどのように向上させることができるか？
• RQ2 ブロックチェーンを活用したIoMTは、新型コロナウイルス感染症のような流行発生時において、効果的な接触追跡および隔離管理をどのように支援するか？
• RQ3 分散型データの履歴追跡と改ざん不能性は、医療データ取扱いにおける信頼性と説明責任をどのように向上させるか？
• RQ4 スマートコントラクトとコンSENSUSメカニズムは、自動的かつ安全で監査可能な医療業務を実現するために果たす役割は何か？
• RQ5 フェデレーテッドラーニングとAIをブロックチェーンと統合することで、プライバシーを保護しつつ知能的な医療データ分析をどのように可能にするか？

主な発見

• 提案されたブロックチェーンを活用したIoMTフレームワークは、ブロックチェーンの改ざん不能性と暗号ハッシュ技術のおかげで、データの完全性と監査可能性が顕著に向上する。
• パブリックブロックチェーンよりもプライベートブロックチェーンおよびコンsortiumブロックチェーンの方がトランザクション処理が高速であるため、リアルタイム医療アプリケーションに適している。
• スマートコントラクトにより、IoMTエコシステム内でのアクセスポリシーおよびデータ共有契約の自動的かつ信頼性のない実行が可能になる。
• フェデレーテッドラーニングとブロックチェーンを組み合わせることで、生の患者データを転送せずにエッジデバイス上でモデル学習が可能となり、プライバシーリスクが低減する。
• ブロックチェーンとディープラーニングを統合することで、特徴工学の高度な処理を必要とせず、生のIoMTデータを用いて異常検知やシステム最適化が可能になる。
• 本フレームワークは、5つの主要なパンデミック対応機能を支援する：パンデミック発生源の特定、ソーシャルディスタンス遵守の監視、スマート病院運用、医療データの履歴追跡、遠隔テレメディスン。

Figure 2: Overview of IoMT.