基于口腔藥物臨床數(shù)據(jù)安全應用平臺設計的探討

◆車林彬 林冬梅 李風舟

基于口腔藥物臨床數(shù)據(jù)安全應用平臺設計的探討

◆車林彬 林冬梅 李風舟通訊作者

（南方醫(yī)科大學深圳口腔醫(yī)院（坪山） 廣東 518118）

隨著計算機的發(fā)展和存儲技術(shù)的改善，可產(chǎn)生和存儲的個人信息的數(shù)量級也呈指數(shù)上升，這為大數(shù)據(jù)產(chǎn)業(yè)帶來了便利，也為醫(yī)療領(lǐng)域數(shù)據(jù)分析提供了大量可使用的數(shù)據(jù)。大數(shù)據(jù)與計算機技術(shù)已經(jīng)開始在口腔藥物臨床中得到應用，本文論述的口腔藥物臨床數(shù)據(jù)安全應用平臺設計的探討主要是以電子病歷為核心的醫(yī)療信息系統(tǒng)產(chǎn)生的業(yè)務數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，針對口腔藥物臨床數(shù)據(jù)應用的安全方面進行設計，支持以病人為中心的全過程醫(yī)療服務和各醫(yī)療服務環(huán)節(jié)質(zhì)量優(yōu)化和效率的提高，充分體現(xiàn)現(xiàn)代口腔醫(yī)學管理思想與計算機信息技術(shù)的完美結(jié)合，故此本課題基于口腔藥物臨床數(shù)據(jù)安全應用平臺設計，實現(xiàn)了不同角色訪問不同安全性數(shù)據(jù)功能，從而實現(xiàn)口腔藥物臨床數(shù)據(jù)應用的安全性。

口腔藥物臨床；數(shù)據(jù)安全；應用平臺；設計

1 口腔藥物臨床數(shù)據(jù)安全應用現(xiàn)狀

口腔藥物臨床數(shù)據(jù)是計算機科學、信息技術(shù)與現(xiàn)代口腔醫(yī)學相結(jié)合的產(chǎn)物?？谇凰幬锱R床數(shù)據(jù)即在口腔醫(yī)學臨床、教學、科研及管理領(lǐng)域中應用計算機科學、信息科學的理論和技術(shù)，同時運用認知科學、決策科學、邏輯學和統(tǒng)計學等使其相互整合、相互滲透和相互促進?？谇凰幬锱R床數(shù)據(jù)的范疇非常廣泛，它包括口腔醫(yī)學領(lǐng)域內(nèi)各種數(shù)據(jù)、信息及知識的獲取、表達、處理、儲存、檢索、傳播、管理及其應用等各個方面。所以本次設計的口腔藥物臨床數(shù)據(jù)安全應用平臺，在數(shù)據(jù)持有階段，首先刪除數(shù)據(jù)的明確事例，再對剩余數(shù)據(jù)使用k-anonymity，l-diversity，t-closeness三種方法分別對數(shù)據(jù)進行不同程度的脫敏；在數(shù)據(jù)使用階段，對不同用戶進行身份驗證和訪問控制實現(xiàn)不同等級用戶訪問到相對應等級數(shù)據(jù)使用，從而達到數(shù)據(jù)應用所需的安全需求。

2 口腔藥物臨床數(shù)據(jù)安全應用平臺總體設計

2.1 系統(tǒng)功能設計

2.1.1系統(tǒng)需求分析

口腔藥物臨床數(shù)據(jù)安全應用平臺使用過程中通過構(gòu)建數(shù)據(jù)周期。并在數(shù)據(jù)發(fā)布階段會面臨數(shù)據(jù)隱私泄露的風險，設計中可以使用匿名算法對數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)脫敏處理；在數(shù)據(jù)存儲階段，如果存儲在不可信數(shù)據(jù)庫中則會遭到第三方的窺探和篡改，因此我們要對數(shù)據(jù)進行加密保護；數(shù)據(jù)分析挖掘過程中，通過關(guān)聯(lián)、聚類等方法仍可以分析出隱私數(shù)據(jù)，這時我們需要通過數(shù)據(jù)變化等方式進行處理；在數(shù)據(jù)使用階段，如果不可信用戶可以對數(shù)據(jù)進行越權(quán)訪問，這時我們要使用訪問控制給用戶加以權(quán)限。同時由于不同匿名算法處理后，數(shù)據(jù)的細粒度和安全性不同，因此匿名化數(shù)據(jù)越接近原始數(shù)據(jù)，信息損失就越少，可用性會顯著增高。所以，在數(shù)據(jù)使用階段，設計了角色訪問控制，可以使等級高的用戶訪問精確度更高的數(shù)據(jù)，而等級低的用戶只能訪問精確度低的數(shù)據(jù)。

2.1.2系統(tǒng)功能邏輯設計

口腔藥物臨床數(shù)據(jù)安全應用平臺總體設計分為管理員系統(tǒng)和用戶系統(tǒng)兩個部分。首先在數(shù)據(jù)庫中注冊默認管理員，管理員登錄醫(yī)療數(shù)據(jù)安全處理系統(tǒng)，管理員登錄后首先進入數(shù)據(jù)錄入界面，通過頁面導航欄進行不同頁面的切換。而用戶通過醫(yī)療數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的注冊頁進行注冊，用戶點擊登錄，首先進入數(shù)據(jù)下載頁，并通過頁面導航欄進行不同頁面切換。如果管理員沒有上傳數(shù)據(jù)，則用戶下載頁為空，如果管理員重新上傳新數(shù)據(jù)，則用戶下載頁內(nèi)容更新。

2.1.3系統(tǒng)管理員功能設計

口腔藥物臨床數(shù)據(jù)安全應用平臺在管理員界面，需要通過上方導航欄，切換“數(shù)據(jù)上傳”、“匿名處理”、“用戶權(quán)限管理”三個功能界面。在數(shù)據(jù)上傳界面，管理員在輸入框中填寫用戶姓名，年齡，郵編以及所患病名稱，然后再上傳該患者對應的基于測序文件。點擊提交后，管理員可以再次上傳其他用戶信息。在匿名處理界面，管理員可以分別選擇k-匿名，l-多樣性，t-接近三種方法對已上傳患者信息做匿名處理操作，處理后數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫。在用戶權(quán)限管理界面，對用戶進行提權(quán)操作時候，前端展示用戶ID，姓名以及對應的等級值，管理員可以通過修改等級值，達到不同等級用戶訪問不同精度信息的效果。

2.1.4用戶功能設計

口腔藥物臨床數(shù)據(jù)安全應用平臺在用戶使用界面，通過頁面導航欄分別可以切換到“數(shù)據(jù)下載頁”、“數(shù)據(jù)分析頁”和“歷史記錄頁”。在數(shù)據(jù)下載頁，用戶可以下載該用戶等級可以下載的醫(yī)療數(shù)據(jù)信息，數(shù)據(jù)以zip形式下載，用戶可以自行使用這些數(shù)據(jù)。在數(shù)據(jù)分析頁，用戶可以選擇某個用戶的信息進行上傳，通過pyclone處理，可知道患者的口腔臨床治療情況。

2.1.5技術(shù)模型設計

口腔藥物臨床數(shù)據(jù)安全應用平臺采用flask（Python web框架）進行后端開發(fā)，利用mysql存儲醫(yī)療數(shù)據(jù)，前端使用Bootstrap作為開發(fā)框架。該系統(tǒng)利用docker進行數(shù)據(jù)庫部署，同時利用conda環(huán)境實現(xiàn)pyclone算法環(huán)境配置，使用3306端口實現(xiàn)后端與數(shù)據(jù)庫連接，用jinja2實現(xiàn)前后端聯(lián)通。

2.2 數(shù)據(jù)庫設計

口腔藥物臨床數(shù)據(jù)安全應用平臺采用關(guān)系數(shù)據(jù)庫，并將mysql作為主要數(shù)據(jù)庫，存儲的數(shù)據(jù)主要有注冊時用戶信息、角色訪問控制信息、管理員上傳患者信息、患者信息匿名處理后結(jié)果，以及pyclone處理中用戶上傳信息以及使用狀態(tài)信息。本數(shù)據(jù)庫設計了以下幾部分，它們分別為：user_profile用戶信息表、level_operate等級－權(quán)限表、medical_info醫(yī)療數(shù)據(jù)表、result_info匿名處理表，history_status歷史記錄狀態(tài)表。

3 口腔藥物臨床數(shù)據(jù)安全應用平臺系統(tǒng)詳細設計與實現(xiàn)

3.1 匿名算法設計與實現(xiàn)

3.1.1子函數(shù)設計與實現(xiàn)

子函數(shù)設計與實現(xiàn)中首先在names元組中定義屬性名稱，并在categorical集合里定義非數(shù)值型屬性，方便后續(xù)泛化時處理。同時，用read_csv函數(shù)讀取文件信息并存在df參數(shù)中，并在get_spans的函數(shù)中傳入df（存表數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)）和partition（屬性列），以此計算出每個屬性的值域，此過程中如果時數(shù)值類型就用max-min，如果是非數(shù)值類型用unique（）函數(shù)統(tǒng)計，并返回在split（）函數(shù)中，將傳入的df均分為ldf，rdf兩部分，如果要分割的屬性是數(shù)值型則利用median（）統(tǒng)計均值，如果屬性值是非數(shù)值類型，則用len=unique（）統(tǒng)計不同的個數(shù)，然后將前l(fā)en/2和后len/2分別分為兩組。此外在子函數(shù)設計與實現(xiàn)中，也需要使用is_k_anonymous（）函數(shù)，在函數(shù)中傳入分組和k值，判斷此分組內(nèi)數(shù)據(jù)個數(shù)是否小于k，如果小于k返回Flase，否則返回True。

3.1.2主函數(shù)設計與實現(xiàn)

主函數(shù)設計與實現(xiàn)中，需要在partition_dateset中使用之前定義的函數(shù)，實現(xiàn)對數(shù)據(jù)分割。此階段要定義準標識屬性值（feature_colums）和敏感屬性值（sensitive_colum）。首先令函數(shù)partition=partitions.pop（0）彈出第一組數(shù)據(jù)。利用sorted（spans.items（），key=lambda x：-x[1]）對屬性值域從大到小排序。按值域大的屬性先將數(shù)據(jù)分為左右兩個部分，并判斷他們是否屬于k－匿名算法標準，如果不屬于則重新統(tǒng)計屬性值域，按值域大的屬性再進行分割，直到每個分組滿足k匿名的判斷條件，并存入finished_partition中在l-diversty，t-closet匿名算法中。所以基于k－匿名算法模型的基礎(chǔ)上，需要在分割的判斷條件中增加對敏感屬性的個數(shù)判斷和頻率判斷。

3.1.3泛化處理設計與實現(xiàn)

泛化處理設計與實現(xiàn)過程中選在build_anonymized_dataset中對上面產(chǎn)生的分組進行泛化處理，對于準標識屬性，利用agg（）進行聚合，數(shù)值類屬性同一等價類中的值進行均值處理，非數(shù)值類屬性進行合并。然后對等級類中元組按敏感屬性值進行個數(shù)統(tǒng)計。最后輸出泛化數(shù)據(jù)。

3.2 注冊和登錄

3.2.1注冊事件

當用戶主動進入注冊界面或者未登錄狀態(tài)訪問需登錄的界面被__repr__回調(diào)函數(shù)彈回注冊界面。由于用戶口令認證方式是身份管理識別系統(tǒng)中最常用的身份識別方式，需要采用用戶名和密碼的方式進行登錄驗證，所以在注冊事件中，需要采用用戶名配合密碼的注冊驗證的方式。當進入注冊界面后，會出現(xiàn)兩個輸入框，讓用戶輸入想要注冊的用戶名與密碼，當用戶點擊注冊時，所填寫信息將會以POST的方式傳輸至后臺模塊。此外，在判斷request模塊在后臺與mysql交互部分調(diào)用select函數(shù)語句進行檢測是否有重名用戶，若沒有重名用戶則為可注冊狀態(tài)，利用register_add_user方法，系統(tǒng)會在數(shù)據(jù)庫中以普通用戶權(quán)限添加用戶的用戶名與密碼信息，以此完成一次完整的注冊事件。

3.2.2登錄事件

當用戶已經(jīng)擁有此系統(tǒng)的用戶名密碼后，系統(tǒng)將會采用用戶賬戶身份認證系統(tǒng)中最常用的身份認證鑒別方式的用戶口令檢測方法進行用戶狀態(tài)登錄。在彈出用戶登錄界面后，可以看到兩個輸入框，其中有提示可以依次輸入用戶注冊的用戶名和密碼。在正確輸入用戶名與密碼，點擊登錄按鈕后，前端界面將會以POST方式將用戶輸入的數(shù)據(jù)傳輸至后臺。同時后臺會利用request.method接收到POST數(shù)據(jù)后，第一時間調(diào)用login函數(shù)進行用戶登錄的判定，其中l(wèi)ogin_info首先會進入數(shù)據(jù)庫中查詢是否有此用戶名的數(shù)據(jù)，若存在此用戶，會進行二次的密碼比對。若此用戶名的信息在數(shù)據(jù)庫中存在，且數(shù)據(jù)庫中存儲密碼和前端POST提交密碼相同，則可以登錄。如果login函數(shù)檢測失敗則會后臺內(nèi)部告警abort，并返回登錄失敗401的對應界面，提示用戶登錄失敗。

3.3 管理員功能模塊

3.3.1管理員提交數(shù)據(jù)事件

當用戶處于登錄狀態(tài)時，可以點擊提交數(shù)據(jù)進入數(shù)據(jù)提交界面，在提交界面可以填寫自己的相關(guān)信息，并上傳自己基因的CSV后綴文件至系統(tǒng)進行匿名處理相關(guān)數(shù)據(jù)分析。在提交頁面點擊提交后，所填寫數(shù)據(jù)與文件將會以POST方式提交至后臺upload函數(shù)進行進一步分析處理。此過程中需要使在upload函數(shù)，首先將提交csv文件存儲至服務器中對應用戶的目錄中，以備進一步使用。在文件成功存儲至服務器當中后，upload函數(shù)將獲取全部POST提交的數(shù)據(jù)，調(diào)用uploadfile函數(shù)將用戶填寫信息打包提交至mysql數(shù)據(jù)庫當中。在此之后，會將uploadfile新增到mysql數(shù)據(jù)庫中的信息，置為等待中的狀態(tài)，并將此條信息的id送入threading多線程隊列中，等待處理函數(shù)operate_task每間隔時間的統(tǒng)一處理。當以上流程全部沒有報錯的執(zhí)行成功后，前端會彈窗提示信息提交成功，即可完成一次數(shù)據(jù)提交流程。

3.3.2匿名算法選擇頁面

在匿名算法選擇界面用戶可以主動點擊button下的a標簽下拉選擇想要使用的匿名處理算法，后臺在接收到對應選擇后，會有選擇性地調(diào)用k匿名算法，通過l-diversty算法或者t-closeness算法進行用戶對應算法的調(diào)用，在處理數(shù)據(jù)完成后，select_k函數(shù)將全部已處理完成的數(shù)據(jù)調(diào)用flask_sqlalchemy存儲至mysql數(shù)據(jù)庫當中。同時將數(shù)據(jù)壓縮為zip格式存儲至服務器當中，提供給后續(xù)下載步驟使用，在完成后前端頁面會展示已處理完成的匿名化脫敏數(shù)據(jù)集。

3.3.3修改權(quán)限

當用戶想要變更賬號權(quán)限時，可以向管理員進行申請。管理員使用自己的賬戶登錄到管理員專屬賬戶中，可以在管理員全體用戶管理界面看到全部用戶的用戶名，密碼與對應賬號的權(quán)限等級。管理員可以選擇一個用戶進行用戶權(quán)限等級的修改，在對應用戶的旁邊點擊修改按鈕，這條指令將會以POST格式提交到后臺，首先調(diào)用select查詢到對應用戶信息，接下來使用update方法對該用戶信息進行變更，用戶的權(quán)限等級即可發(fā)生改變。

3.4 用戶功能模塊

3.4.1用戶下載數(shù)據(jù)

當用戶進入數(shù)據(jù)下載界面時，后臺會根據(jù)當前登錄用戶id到后臺mysql數(shù)據(jù)庫中進行select函數(shù)的調(diào)用，并查詢到當前登錄用戶id的權(quán)限等級，使用download函數(shù)可以讓用戶等級在數(shù)據(jù)庫中進行二次查詢，獲取當前用戶等級，并下載數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)集的數(shù)據(jù)名與對應連接傳輸至前端。此過程中前端在后端完成處理，并返回數(shù)據(jù)后展示全部當前用戶可下載數(shù)據(jù)，同時用戶可以點擊對應數(shù)據(jù)的下載進行數(shù)據(jù)集的下載，此時瀏覽器會自動開啟下載任務，下載完成后，前端界面會彈窗提示數(shù)據(jù)下載成功，完成一次用戶下載數(shù)據(jù)操作。

3.4.2用戶上傳數(shù)據(jù)

當用戶處于登錄狀態(tài)時，可以點擊提交數(shù)據(jù)進入數(shù)據(jù)提交界面，在提交界面可以填寫自己的相關(guān)信息，并上傳CSV后綴文件至系統(tǒng)進行pyclone處理相關(guān)數(shù)據(jù)分析。在提交頁面點擊提交后，所填寫數(shù)據(jù)與文件將會以POST方式提交至后臺upload函數(shù)進行進一步分析處理。在upload函數(shù)中，首先將提交csv文件存儲至服務器中對應用戶的目錄中，以備進一步使用。在此之后，會將uploadfile新增到mysql數(shù)據(jù)庫中的信息，置為等待中的狀態(tài)，并將此條信息的id送入threading多線程隊列中，等待處理函數(shù)operate_task每間隔時間的統(tǒng)一處理。當operate_task函數(shù)發(fā)現(xiàn)有等待中數(shù)據(jù)時，會從等待隊列中l(wèi)eftpop取出數(shù)據(jù)集，調(diào)用Pyclone處理函數(shù)，其間pyclone處理的中間過程日志將會保存到服務器的log文件中可以便于意外情況的排查。當以上流程全部沒有報錯的執(zhí)行成功后，服務器會調(diào)用pdf2png函數(shù)將pyclone的生成結(jié)果從pdf格式轉(zhuǎn)變成png格式。完成處理后，前端會轉(zhuǎn)跳到歷史記錄頁面，完成一次pyclone調(diào)用流程。

3.4.3歷史記錄頁

在用戶進入歷史記錄頁面后，服務器首先根據(jù)當前登錄用戶id到后臺mysql數(shù)據(jù)庫中進行select查詢獲取當前用戶全部的歷史提交記錄，其中分為等待中，處理中，已完成三種已提交數(shù)據(jù)狀態(tài)，之后將查詢到的數(shù)據(jù)信息傳遞給前端，當前端接收到數(shù)據(jù)庫后會使用jinja2語句進行for循環(huán)將全部用戶歷史記錄展示給用戶，用戶可以選擇已完成的數(shù)據(jù)進行點擊，前端將會轉(zhuǎn)跳到對應的詳細數(shù)據(jù)處理后的結(jié)果界面進行前端展示。

3.4.4處理結(jié)果頁

當用戶在歷史提交記錄界面點擊一個已完成的數(shù)據(jù)后，前端會轉(zhuǎn)跳到處理結(jié)果的對應詳情頁，后臺會進入mysql數(shù)據(jù)庫進行select數(shù)據(jù)查詢，獲取此用戶對應的提交結(jié)果的詳情頁面，并獲取之pdf2png函數(shù)處理的png圖片，與其他用戶提交時候填寫信息的匿名化處理結(jié)果一起傳輸至前端進行結(jié)果展示，

4 結(jié)論

社會進入信息時代，同時計算機普及和存儲技術(shù)得到了改善，存儲設備變得廉價。在網(wǎng)絡中產(chǎn)生大量個人信息，同樣隨著信息聯(lián)網(wǎng)化，醫(yī)療等領(lǐng)域大放光彩。為了建立口腔藥物臨床數(shù)據(jù)安全應用平臺，實現(xiàn)在數(shù)據(jù)發(fā)布時數(shù)據(jù)的脫敏處理以及醫(yī)療數(shù)據(jù)的安全使用。經(jīng)過測試，口腔藥物臨床數(shù)據(jù)安全應用平臺已經(jīng)達到了最初的設計要求，除此之外口腔藥物臨床數(shù)據(jù)安全應用平臺采用多維k－匿名處理方式，減少了在一維k－匿名中面臨的復雜步驟，以及在數(shù)據(jù)的分割時，結(jié)果具有更高的靈活程度。

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