CN110752024A - 基于隐私保护的在线医疗诊断服务系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种基于隐私保护的在线医疗诊断服务系统，该系统包括：监管中心，包含系统服务单元、监管侧通信单元；用户终端，包含采集单元、病例生成单元、用户侧通信单元、结果处理单元，医疗诊断中心，包含数据存储单元、医疗侧通信单元、医疗诊断单元；当病人用户通过用户终端在线注册后，将采集到生理数据加密并签名后生成生理病例并发送给医疗诊断中心，医疗诊断中心验证发来的生理病例的合法性后，对该生理病例进行诊断并将预诊断结果以密文方式发送给用户终端，用户终端接收后进行解密得到预诊断结果，不仅保证了病人用户与医疗诊断中心的隐私安全，而且降低了在系统的通信效率和计算成本，提高了系统的诊断服务效率。

Description

基于隐私保护的在线医疗诊断服务系统
技术领域
本发明属于医疗信息领域，具体地涉及一种轻量级的在保证病人和医疗机构隐私不泄漏的前提下实现高效在线医疗诊断的基于隐私保护的在线医疗诊断服务系统。
背景技术
随着人口老龄化程度的加深，有限的资源将无法保证医疗服务的质量。然而，作为物联网的主要应用之一，在线医疗诊断系统作为一种新的方式，可以有效缓解人们对健康监测和有限医疗资源的需求，已成为一个新的研究热点。无线身体局域网(WBAN)技术作为在线医疗系统的一部分，可以实现对患者身体健康的实施监测和诊断。它的广泛应用不仅促进了疾病的监测与预防，还为人们提供了良好的医疗环境、提高了生活质量。因此，在线医疗系统可以为患者提供远程的健康监测与实时诊断，实现患者与医护人员的在线沟通，能够提高医疗效率、降低医疗成本。
在线医疗系统可以为患者提供远程的健康监测与实时诊断，实现患者与医护人员的在线沟通，能够提高医疗效率、降低医疗成本。然而，在线医疗诊断系统的安全和隐私问题也面临着巨大的挑战，因为在病人在接受在线医疗服务时，敌手可能会获取病人用户的医疗数据及个人信息。病人的病情及个人信息的泄漏，可能会对患者的心理、身体和日常生活造成不同程度的伤害。例如，隐私泄漏可能会使病人产生羞愧的心理，影响与他人交流的自信心，甚至会受到保险公司或非法医疗机构的骚扰。因此，在电子健康系统中保护患者的隐私信息势在必行。另外，医疗机构中的训练数据集和支持向量机的分类参数是通过大量的时间和财力而获得，因此这些信息也应该保密。由此可见，如果在线医疗系统的隐私保护问题不能够得到足够的重视，那么不安全的运行环境会使病人用户对在线诊断服务失去信心，许多潜在的病人用户将不愿意接受在线医疗系统的服务。
为了保证在线医疗诊断系统的隐私安全，防止病人生理数据及医疗机构参数的泄漏对患者及网络造成不良后果，在获得在线诊断之前需要获得医疗监管机构的认证。现有的在线诊断方案大多数没有采用支撑向量机的机器学习算法，即使使用了支撑向量机，这些方案的计算成本和通信开销均很大。而且，这些方案中的数据没有采用相应的技术防止数据被篡改。另外，在现有的方案中，获得密文诊断结果的方法过于复杂，导致在医疗诊断系统为大规模患者同时提供服务时造成网络拥塞，造成医疗资源浪费。因此，在线医疗诊断系统不仅要保证病人用户和医疗机构的隐私，而且需要病人用户能够快速、准确地从医疗机构获得诊断结果，以支持大量期望参与在线诊断的病人用户。
发明内容
本发明是为了解决上述问题而进行的，目的在于提供一种轻量级的在保证病人和医疗机构隐私不泄漏的前提下实现高效在线医疗诊断的基于隐私保护的在线医疗诊断服务系统。
本发明提供了一种基于隐私保护的在线医疗诊断服务系统，其特征在于，包括：监管中心，包含系统服务单元、监管侧通信单元；用户终端，包含采集单元、病例生成单元、用户侧通信单元、结果处理单元，医疗诊断中心，包含数据存储单元、医疗侧通信单元、医疗诊断单元；其中，系统服务单元用于初始化该在线医疗诊断服务系统，并为用户终端和医疗诊断中心提供注册服务，数据存储单元存储有基于现有医疗数据构建的所有的生理参数与对应的病理诊断结果，采集单元用于采集病人用户的目标生理数据，病例生成单元基于采集到的目标生理数据生成生理病例，用户侧通信单元用于将生理病例发送至医疗诊断中心，医疗侧通信单元接收发送来的生理病例，医疗诊断单元对接收到的生理病例进行诊断处理并生成诊断反馈信息，医疗侧通信单元将诊断反馈信息发送至用户终端，用户侧通信单元接收发送来的诊断反馈信息，结果处理单元对接收到的诊断反馈信息进行解密从而得到预诊断结果。
在本发明提供的基于隐私保护的在线医疗诊断服务系统中，还可以具有这样的特征，其中，系统服务单元初始化该在线医疗诊断服务系统的步骤包含：
步骤1.1：给定安全参数κ，运行算法
Figure BDA0002237089110000031
输出双线性群、生成元及双线性映射等参数
Figure BDA0002237089110000032
其中q是一个大素数，
Figure BDA0002237089110000033
和
Figure BDA0002237089110000034
是双线性群，且P是群
Figure BDA0002237089110000035
中的生成元，
Figure BDA0002237089110000036
和满足的映射关系；另外，计算OU同态加密系统的公钥pk＝(N＝p'2q',g,h)和对应私钥sk＝(p',q')，其中，p',q'最是两个相同长度的大素数，满足|p'|＝|q'|＝κ'；最后定义安全的哈希函数
步骤1.2：选择一个随机数ξ＞0作为缩放因子，它能使得系统中的变量接近整数值；
步骤1.3：定义一个判断函数d(d)＝∑αiyit'id+b，这里αi是拉格朗日变量，yi∈{+1,-1}是样本的分类标签；
步骤1.4：随机选择整数A和B，其满足条件：1)A>B；2)|A·d(d)+B|＜2κ'-2；
步骤1.5：让用户终端选择一个随机数
Figure BDA00022370891100000310
作为私钥，并计算对应的公钥Y＝xP；
步骤1.6：公布系统安全参数
Figure BDA00022370891100000311
其中h＝gN，
Figure BDA00022370891100000312
在本发明提供的基于隐私保护的在线医疗诊断服务系统中，还可以具有这样的特征，其中，病例生成单元基于采集到的目标生理数据生成生理病例的步骤包含：
步骤2.1：选择随机数
Figure BDA0002237089110000041
并计算
步骤2.2：用私钥计算签名其中IDPU表示病人用户的身份，T表示时间戳；
步骤2.3：将签名后得到的
Figure BDA0002237089110000044
作为生理病例。
在本发明提供的基于隐私保护的在线医疗诊断服务系统中，还可以具有这样的特征，其中，医疗诊断单元对收到的生理病例进行诊断处理并生成诊断反馈信息的步骤包含：
步骤3：生理病例的标准化；
步骤3.1：验证生理病例的签名，如果等式
Figure BDA0002237089110000045
成立，则签名验证通过；否则，签名验证不通过，
步骤3.2：计算标准化测试集
Figure BDA0002237089110000046
步骤4：生理病例的安全分类；
步骤4.1：计算线性核函数，对应的密文为：[[ki]]＝[[ξt'i·ξd]]，
步骤4.2：计算判断函数，对应的密文为：
Figure BDA0002237089110000047
步骤4.3：计算分类标签，对应的密文为[[cl]]＝[[A·d(d)+B]]，
步骤4.4：将加密后的分类标签作为生理病例对应的诊断反馈信息。
在本发明提供的基于隐私保护的在线医疗诊断服务系统中，还可以具有这样的特征，其中，结果处理单元接收到的诊断反馈信息进行解密得到分类标签的内容，从而得到预诊断结果。
在本发明提供的基于隐私保护的在线医疗诊断服务系统中，还可以具有这样的特征，其中，采集单元包含复数个可穿戴传感器，用户侧通信单元通过WiFi、ZigBee或蓝牙通信方式与医疗诊断中心相通信连接。
在本发明提供的基于隐私保护的在线医疗诊断服务系统中，还可以具有这样的特征，其中，用户终端还包含显示单元，显示单元用于显示预诊断结果。
发明的作用与效果
根据本发明所涉及的基于隐私保护的在线医疗诊断服务系统，当病人用户通过用户终端在在线医疗诊断服务系统注册后，可以将采集到的自身的目标生理数据加密并签名后生成生理病例，实现对病人用户的隐私信息进行保护，然后将该生理病例发送给医疗诊断中心，医疗诊断中心验证发来的生理病例的合法性后进一步提供医疗诊断服务，即、对该生理病例进行诊断并将预诊断结果以密文方式发送给用户终端，用户终端接收后进行解密从而得到预诊断结果，实现了全程对病人用户的隐私保护和医疗诊断中心的数据保护。
附图说明
图1是本发明的实施例中基于隐私保护的在线医疗诊断服务系统的结构示意图。
图2是本发明的实施例中基于隐私保护的在线医疗诊断服务系统的结构框图。
图3是本发明的实施例中基于隐私保护的在线医疗诊断服务系统的动作流程图。
具体实施方式
下面通过实施例的方式进一步说明本发明，但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。
<实施例>
图1是本发明的实施例中基于隐私保护的在线医疗诊断服务系统的结构示意图；图2是本发明的实施例中基于隐私保护的在线医疗诊断服务系统的结构框图。
如图1和2所示，在本实施例中，基于隐私保护的在线医疗诊断服务系统100包括：监管中心10、用户终端20和医疗诊断中心30。
监管中心10作为第三方的可信医疗监管机构(简称MRA)，用于保障用户终端20和医疗诊断中心30的隐私数据或机密数据不被泄露，它具体包含系统服务单元11和监管侧通信单元12。
用户终端20(简称PU)提供给病人用户使用，它具体包含采集单元21、病例生成单元22、用户侧通信单元23、结果处理单元24以及显示单元25。
医疗诊断中心30(简称MC)用于进行病理诊断，可以为医院灯医疗机构对外提供的一种医疗服务，它具体包含数据存储单元31、医疗侧通信单元32以及医疗诊断单元33。
系统服务单元11用于初始化该在线医疗诊断服务系统100，并为用户终端20和医疗诊断中心30提供注册服务。
监管侧通信单元12用于与用户终端20和医疗诊断中心30之间进行通信连接。
图3是本发明的实施例中基于隐私保护的在线医疗诊断服务系统的动作流程图。
如图3所示，系统服务单元11初始化该在线医疗诊断服务系统100的步骤包含：
步骤1.1：给定安全参数κ，运行算法
Figure BDA0002237089110000061
输出双线性群、生成元及双线性映射等参数
Figure BDA0002237089110000062
其中q是一个大素数，
Figure BDA0002237089110000063
和是双线性群，且P是群
Figure BDA0002237089110000071
中的生成元，
Figure BDA0002237089110000072
和
Figure BDA0002237089110000073
满足的映射关系；另外，计算OU同态加密系统的公钥pk＝(N＝p'2q',g,h)和对应私钥sk＝(p',q')，其中，p',q'最是两个相同长度的大素数，满足|p'|＝|q'|＝κ'；最后定义安全的哈希函数
步骤1.2：选择一个随机数ξ＞0作为缩放因子，它能使得系统中的变量接近整数值；
步骤1.3：定义一个判断函数d(d)＝∑αiyit'id+b，这里αi是拉格朗日变量，yi∈{+1,-1}是样本的分类标签；
步骤1.4：随机选择整数A和B，其满足条件：1)A>B；2)|A·d(d)+B|＜2κ'-2；
步骤1.5：让用户终端20进行注册并选择一个随机数
Figure BDA0002237089110000076
作为私钥，并计算对应的公钥Y＝xP；
步骤1.6：公布系统安全参数
Figure BDA0002237089110000077
其中h＝gN，
Figure BDA0002237089110000078
数据存储单元31存储有基于现有医疗数据构建的所有的生理参数与对应的病理诊断结果，在本实施例中，病例诊断结果具体以匹配的分类标签的形式体现。
采集单元21用于采集病人用户的目标生理数据，在本实施例中，采集单元21包含复数个可穿戴传感器，用于实时采集病人用户的生理数据。
病例生成单元22基于采集单元21采集到的目标生理数据生成对应的生理病例。
如图3所示，病例生成单元22生成生理病例的步骤包含：
步骤2.1：选择随机数
Figure BDA0002237089110000079
并计算
Figure BDA00022370891100000710
步骤2.2：用私钥计算签名
Figure BDA0002237089110000081
其中IDPU表示病人用户的身份，T表示时间戳；
步骤2.3：将签名后得到的
Figure BDA0002237089110000082
作为生理病例。
用户侧通信单元23用于将病例生成单元22生成的生理病例发送至医疗诊断中心30中，在本实施例中，用户侧通信单元23的通信方式与可穿戴传感器相匹配，具体为通过WiFi、ZigBee或蓝牙等任意的通信方式与医疗诊断中心30相通信连接。
医疗侧通信单元32用于接收用户终端20发送来的生理病例。
医疗诊断单元33对医疗侧通信单元32接收到的生理病例进行诊断处理并生成诊断反馈信息。
如图3所示，医疗诊断单元33进行诊断处理并生成诊断反馈信息的步骤包含：
步骤3：生理病例的标准化，该步骤具体包含以下子步骤：
步骤3.1：验证生理病例的签名，如果等式成立，则签名验证通过；否则，签名验证不通过，
步骤3.2：计算标准化测试集
Figure BDA0002237089110000084
步骤4：生理病例的安全分类，该步骤具体包含以下子步骤：
步骤4.1：计算线性核函数，对应的密文为：[[ki]]＝[[ξt'i·ξd]]，
步骤4.2：计算判断函数，对应的密文为：
Figure BDA0002237089110000085
步骤4.3：计算分类标签，对应的密文为[[cl]]＝[[A·d(d)+B]]，
步骤4.4：将加密后的分类标签作为病人用户的生理病例对应的诊断反馈信息。
医疗侧通信单元32还用于将医疗诊断单元33生成的诊断反馈信息发送至用户终端10。
用户侧通信单元23接收医疗诊断中心30发送来的诊断反馈信息。
结果处理单元24对用户侧通信单元23接收到的诊断反馈信息进行解密从而得到预诊断结果。在本实施例中，结果处理单元24对加密后的分类标签进行解密，得到分类标签的具体内容，也就得到了预诊断结果。
显示单元25用于显示结果处理单元24处理得到的预诊断结果。
实施例的作用与效果
根据本实施例所涉及的基于隐私保护的在线医疗诊断服务系统，当病人用户通过用户终端PU在在线诊断服务系统注册后，将穿戴传感器采集到的生理数据加密签名后生成生理病例后发送给医疗诊断中心MC，医疗诊断中心MC验证该生理病例的合法性后，为合法的用户终端PU提供医疗服务。具体来说，每个注册后的用户终端PU向医疗诊断中心MC发送隐私保护的生理病例，医疗诊断中心MC会根据用户终端PU的生理病例进行诊断，将预诊断结果通过密文的方式发送给用户终端PU，最后用户终端PU用私钥解密出预诊断结果，该预诊断结果能够为病人用户是否到医院就医提供的指导意见，大大提高医疗效率，减轻医疗机构的医疗服务压力，具有很高的实用性。
本发明结合OU(Okamoto-Uchiyama)同态加密技术和支持向量机(SVM)构造的在线诊断协议，不仅保证了PU与MC的隐私安全，而且还大大降低了在线医疗诊断服务系统的通信效率和计算成本，提高了在线医疗诊断服务系统的效率。
本发明通过将BLS短签名技术应用到用户终端PU生成生理病例过程中，解决了在线诊断系统中病人用户生理病例和预诊断结果的认证性和完整性问题，从而有效地防止生理病例和预诊断结果在传输过程中被攻击者恶意伪造，提高在线医疗诊断服务系统的安全性。
本发明在诊断过程中采用了一种轻量级的方法获得支持向量机中分类标签的密文符号，可以大大提高在线医疗系统的诊断效率。
虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这仅是举例说明，本发明的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种基于隐私保护的在线医疗诊断服务系统，其特征在于，包括：
监管中心，包含系统服务单元、监管侧通信单元；
用户终端，包含采集单元、病例生成单元、用户侧通信单元、结果处理单元，
医疗诊断中心，包含数据存储单元、医疗侧通信单元、医疗诊断单元；
其中，所述系统服务单元用于初始化该在线医疗诊断服务系统，并为所述用户终端和所述医疗诊断中心提供注册服务，
所述数据存储单元存储有基于现有医疗数据构建的所有的生理参数与对应的病理诊断结果，
所述采集单元用于采集病人用户的目标生理数据，
所述病例生成单元基于采集到的所述目标生理数据生成生理病例，
所述用户侧通信单元用于将所述生理病例发送至所述医疗诊断中心，
所述医疗侧通信单元接收发送来的所述生理病例，
所述医疗诊断单元对接收到的所述生理病例进行诊断处理并生成诊断反馈信息，
所述医疗侧通信单元将所述诊断反馈信息发送至所述用户终端，
所述用户侧通信单元接收发送来的所述诊断反馈信息，
所述结果处理单元对接收到的所述诊断反馈信息进行解密从而得到预诊断结果。
2.根据权利要求1所述的基于隐私保护的在线医疗诊断服务系统，其特征在于：
其中，所述系统服务单元初始化该在线医疗诊断服务系统的步骤包含：
步骤1.1：给定安全参数κ，运行算法输出双线性群、生成元及双线性映射等参数
Figure FDA0002237089100000012
其中q是一个大素数，
Figure FDA0002237089100000013
和
Figure FDA0002237089100000014
是双线性群，且P是群
Figure FDA0002237089100000021
中的生成元，
Figure FDA0002237089100000022
和满足e:
Figure FDA0002237089100000024
的映射关系；另外，计算OU同态加密系统的公钥pk＝(N＝p'2q',g,h)和对应私钥sk＝(p',q')，其中，p',q'最是两个相同长度的大素数，满足|p'|＝|q'|＝κ'；最后定义安全的哈希函数H:
Figure FDA0002237089100000025
步骤1.2：选择一个随机数ξ＞0作为缩放因子，它能使得系统中的变量接近整数值；
步骤1.3：定义一个判断函数d(d)＝∑αiyit'id+b，这里αi是拉格朗日变量，yi∈{+1,-1}是样本的分类标签；
步骤1.4：随机选择整数A和B，其满足条件：1)A>B；2)|A·d(d)+B|＜2κ'-2；
步骤1.5：让所述用户终端选择一个随机数
Figure FDA0002237089100000026
作为私钥，并计算对应的公钥Y＝xP；
步骤1.6：公布系统安全参数其中h＝gN，
Figure FDA0002237089100000028
3.根据权利要求2所述的基于隐私保护的在线医疗诊断服务系统，其特征在于：
其中，所述病例生成单元基于采集到的所述目标生理数据生成生理病例的步骤包含：
步骤2.1：选择随机数
Figure FDA0002237089100000029
并计算
Figure FDA00022370891000000210
步骤2.2：用私钥计算签名
Figure FDA00022370891000000211
其中IDPU表示病人用户的身份，T表示时间戳；
步骤2.3：将签名后得到的
Figure FDA0002237089100000031
作为所述生理病例。
4.根据权利要求3所述的基于隐私保护的在线医疗诊断服务系统，其特征在于：
其中，所述医疗诊断单元对收到的所述生理病例进行诊断处理并生成诊断反馈信息的步骤包含：
步骤3：所述生理病例的标准化；
步骤3.1：验证生理病例的签名，如果等式
Figure FDA0002237089100000032
成立，则签名验证通过；否则，签名验证不通过，
步骤3.2：计算标准化测试集
Figure FDA0002237089100000033
步骤4：所述生理病例的安全分类；
步骤4.1：计算线性核函数，对应的密文为：
Figure FDA0002237089100000036
步骤4.2：计算判断函数，对应的密文为：
步骤4.3：计算分类标签，对应的密文为
Figure FDA0002237089100000035
步骤4.4：将加密后的所述分类标签作为所述生理病例对应的所述诊断反馈信息。
5.根据权利要求4所述的基于隐私保护的在线医疗诊断服务系统，其特征在于：
其中，所述结果处理单元接收到的所述诊断反馈信息进行解密得到所述分类标签的内容，从而得到所述预诊断结果。
6.根据权利要求5所述的基于隐私保护的在线医疗诊断服务系统，其特征在于：
其中，所述采集单元包含复数个可穿戴传感器，
所述用户侧通信单元通过WiFi、ZigBee或蓝牙通信方式与所述医疗诊断中心相通信连接。
7.根据权利要求6所述的基于隐私保护的在线医疗诊断服务系统，其特征在于：
其中，所述用户终端还包含显示单元，
所述显示单元用于显示所述预诊断结果。
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