Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Hệ thống Hồ sơ Sức khỏe Điện tử (Electronic Health Record - EHR) đóng vai trò trung tâm trong quá trình chuyển đổi số ngành y tế, mang lại nhiều cải tiến về bảo mật và quản lý thông tin. Tuy nhiên, các hệ thống EHR truyền thống đang bộc lộ nhiều rào cản kỹ thuật và quản trị:

  1. Sự bất cân xứng và chia sẻ dữ liệu kém hiệu quả: Dữ liệu bệnh án phân tán tại nhiều cơ sở y tế với các tiêu chuẩn kỹ thuật không đồng nhất. Quy trình người bệnh tiếp cận hồ sơ của chính mình thường phức tạp, rườm rà.
  2. Xâm phạm quyền riêng tư và thiếu quyền kiểm soát dữ liệu: Dữ liệu nhạy cảm được quản trị bởi các tổ chức hoặc doanh nghiệp tư nhân mà không có sự tham gia của người dùng. Một ví dụ điển hình được tác giả nêu ra là trường hợp công ty xét nghiệm di truyền 23andMe sử dụng cơ sở dữ liệu DNA của khách hàng để nghiên cứu và phát triển thuốc nhằm thu lợi nhuận thương mại, trong khi người dùng không nhận thức được giá trị tiềm năng hoặc không nhận được lợi ích kinh tế tương xứng từ dữ liệu của mình.
  3. Rủi ro từ mô hình lưu trữ tập trung: Hệ thống máy chủ truyền thống đối mặt với nguy cơ lỗi đơn điểm (Single Point of Failure), nguy cơ tấn công từ tin tặc và rò rỉ dữ liệu cá nhân trên quy mô lớn.

Xuất phát từ thực trạng trên, tác giả thực hiện khóa luận tốt nghiệp kỹ sư ngành An toàn thông tin với đề tài: "Hệ thống trao đổi và giao dịch dữ liệu hồ sơ sức khỏe dựa trên Blockchain và NFT" nhằm xây dựng một mô hình quản lý dữ liệu y tế lấy người bệnh làm trung tâm.

Mục tiêu nghiên cứu

Tác giả xác định 03 mục tiêu cụ thể:

  1. Nghiên cứu, thiết kế và xây dựng hệ thống Healthcare-NFT dựa trên nền tảng Blockchain có khả năng lưu trữ hồ sơ bệnh án, kiểm soát truy cập và cung cấp giao diện người dùng qua Web App.
  2. Ứng dụng Non-Fungible Token (NFT) để số hóa dữ liệu sức khỏe, trao quyền cho cá nhân kiểm soát, quản lý và thương mại hóa dữ liệu cá nhân khi cung cấp cho các đơn vị có nhu cầu nghiên cứu.
  3. Cung cấp cơ chế phát hành NFT chứng nhận nhằm ghi nhận sự đóng góp dữ liệu của các cơ sở y tế và tổ chức liên quan, tạo dựng uy tín và sự tin cậy trong môi trường đô thị thông minh (Smart City).

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

  • Đối tượng nghiên cứu: Hệ thống Permissioned Blockchain với cơ chế đồng thuận PBFT; hệ thống lưu trữ phân tán IPFS; Hợp đồng thông minh (Smart Contract) phục vụ giao dịch NFT; các thuật toán mã hóa dựa trên thuộc tính (ABE) kết hợp mã hóa đối xứng (AES) và hàm băm (SHA).
  • Phạm vi nghiên cứu: Mô hình hệ thống phục vụ 04 nhóm thực thể tham gia trong hệ sinh thái y tế số:
    • Individuals (Cá nhân): Bệnh nhân và các công dân quan tâm đến quyền tự kiểm soát dữ liệu sức khỏe.
    • Health-Facilities (Cơ sở y tế): Bệnh viện, phòng khám tư nhân, trạm xá chịu trách nhiệm khởi tạo và cập nhật hồ sơ y tế.
    • Pharmicities (Cơ sở dược phẩm/trị liệu): Đơn vị cung ứng thuốc, hỗ trợ phác đồ điều trị.
    • Organizations (Tổ chức nghiên cứu): Viện nghiên cứu, cơ quan quản lý y tế, các nhóm nghiên cứu phát triển thuốc hoặc phân tích chuỗi cung ứng.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết và công nghệ cốt lõi

Khóa luận tổng hợp và phát triển trên các trụ cột công nghệ:

  • Công nghệ Blockchain và cơ chế đồng thuận: Phân tích nguyên lý khối (Block), chuỗi (Chain), con trỏ băm và cây Merkle (Merkle Tree Root Hash). So sánh các cơ chế đồng thuận Proof of Work (PoW), Proof of Stake (PoS) và Practical Byzantine Fault Tolerance (PBFT). Tác giả lựa chọn mô hình Permissioned Blockchain kết hợp thuật toán PBFT để giải quyết bài toán tiêu thụ năng lượng, chi phí vận hành và tính định danh trong quản trị điện tử.
  • Tiêu chuẩn và giao thức NFT:
    • Tiêu chuẩn: Đánh giá chuẩn ERC-721 (định danh token đơn lẻ, không thay thế) và chuẩn ERC-1155 (cho phép quản lý đồng thời token có thể thay thế và không thể thay thế trong cùng một hợp đồng).
    • Giao thức giao dịch: Khảo sát giao thức truyền thống Top-To-Bottom (Khởi tạo từ người bán: Store -> Minting -> Trading -> Confirm) và giao thức Bottom-To-Top (Khởi tạo theo nhu cầu người mua: Create Template -> Customize -> Trading -> Confirm).
  • Hệ thống tệp liên hành tinh (IPFS): Sử dụng bảng băm phân tán (DHT), mã định danh nội dung (CID) và cấu trúc Merkle DAG để lưu trữ dữ liệu y tế dung lượng lớn ngoài chuỗi khối (off-chain), loại bỏ lỗi đơn điểm.
  • Mã hóa dựa trên thuộc tính (Attribute-Based Encryption - ABE): So sánh giữa Key-Policy ABE (KP-ABE) và Ciphertext-Policy ABE (CP-ABE) qua 04 giai đoạn thuật toán:
Quy trình KP-ABE Input CP-ABE Input Output
Set Up $1^{\lambda}, U^*$ $1^{\lambda}, U^*$ Khóa công khai ($pk$), Khóa chủ ($msk$)
Key Gen $pk, msk, P$ (Policy) $pk, msk, A$ (Attributes) Khóa bí mật người dùng ($sk$)
Encrypt $pk, M$ (Plaintext), $A$ (Attributes) $pk, M$ (Plaintext), $P$ (Policy) Bản mã ($CT$)
Decrypt $pk, sk, CT$ $pk, sk, CT$ Bản rõ ($M$)

Tác giả lựa chọn CP-ABE vì cơ chế này gắn trực tiếp cây chính sách (Policy Tree) vào dữ liệu mã hóa, giúp chủ sở hữu dữ liệu chủ động kiểm soát đối tượng được phép giải mã.

Phương pháp nghiên cứu

  • Phương pháp phân tích - tổng hợp: Khảo sát các công trình quốc tế về Blockchain trong y tế (Leila Ismail, Marko Hölbl, Ayesha Shahnaz, Fengqi Li...) và ứng dụng NFT ngoài tiền điện tử (Mustafa Bal, Seyed Mojtaba Hosseini Bamakan...).
  • Phương pháp thiết kế kiến trúc hệ thống: Xây dựng mô hình 3 lớp tích hợp hệ thống Blockchain được cấp quyền, lưu trữ IPFS và giao thức bảo mật kết hợp.
  • Phương pháp thực nghiệm kỹ thuật: Cài đặt nền tảng mã nguồn mở Hyperledger Sawtooth, viết Smart Contract tương tác qua SDK Python/Flask API và giao diện Web UI bằng JavaScript; xây dựng các tập lệnh (scripts) tự động để đo đạc và đánh giá hiệu năng hệ thống.

Thiết kế và triển khai hệ thống

Hệ thống Healthcare-NFT được thiết kế thành 3 phân lớp chức năng rõ rệt:

Phân lớp Thành phần kỹ thuật Chức năng chính
Lớp Người dùng (User Layer) Giao diện Web Application, tệp khóa cá nhân (Key file) Cho phép Bệnh nhân, Bác sĩ, Nhân viên y tế và Đại diện tổ chức xác thực vai trò; thực hiện cấp/thu hồi quyền truy cập, cập nhật hồ sơ và giao dịch NFT.
Lớp Blockchain (Blockchain Layer) Nền tảng Hyperledger Sawtooth, Smart Contract, cơ chế đồng thuận PBFT Xử lý và ghi nhận các giao dịch phân tán; thực thi logic tạo, chuyển nhượng token ERC-1155 theo giao thức Bottom-To-Top; lưu trữ trạng thái kiểm soát truy cập.
Lớp Mã hóa & Lưu trữ (Cryptography & Storage) CP-ABE, AES, SHA, Mạng IPFS, Merkle Tree Dữ liệu thô được mã hóa đối xứng qua AES. Khóa AES được mã hóa bằng CP-ABE theo Policy Tree. Bản mã lưu trữ trên IPFS để lấy mã CID; tính toàn vẹn được kiểm tra bằng Merkle Tree.

Các luồng hoạt động chính của hệ thống

  1. Lưu trữ dữ liệu: Hồ sơ sức khỏe sau khi tạo lập được mã hóa kết hợp (AES + CP-ABE), đẩy lên mạng IPFS để nhận mã CID. Mã CID và thông tin băm xác thực được ghi vào Blockchain thông qua giao dịch Smart Contract.
  2. Cấp quyền và thu hồi quyền truy cập (Grant/Revoke Access): Chủ sở hữu sử dụng khóa riêng để điều chỉnh cây chính sách (Policy Tree) trên hợp đồng thông minh, cho phép hoặc chấm dứt quyền giải mã của bác sĩ/cơ sở y tế đối với hồ sơ cụ thể.
  3. Cung cấp và giao dịch bản ghi (Record Trading): Tổ chức nghiên cứu phát hành mẫu nhu cầu dữ liệu (Create Template). Người bệnh cấu hình dữ liệu phù hợp (Customize), chuyển đổi thành NFT (chuẩn ERC-1155) và thực hiện chuyển nhượng (Trading). Sau khi giao dịch hoàn tất (Confirm), tổ chức nhận dữ liệu giải mã và người bệnh nhận quyền lợi kinh tế cùng chứng nhận đóng góp dữ liệu.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Giới thiệu tổng quan đề tài

Trình bày cơ sở khoa học và thực tiễn của đề tài. Phân tích các hạn chế của hệ thống EHR hiện hữu như sự bất cân xứng thông tin, thiếu quyền kiểm soát của người bệnh và ví dụ thực tế về việc công ty 23andMe khai thác dữ liệu gen. Xác định mục tiêu, đối tượng, phạm vi nghiên cứu xoay quanh 4 nhóm thực thể (Individuals, Health-Facilities, Pharmicities, Organizations) và cấu trúc tổng thể của khóa luận.

Chương 2: Cơ sở lý thuyết và các nghiên cứu liên quan

Hệ thống hóa kiến thức nền tảng về:

  • Cấu trúc chuỗi khối, phân loại Blockchain (Permissionless, Permissioned, Hybrid) và các cơ chế đồng thuận (PoW, PoS, PBFT).
  • Bản chất của NFT, các tiêu chuẩn ERC-721, ERC-1155 và phân tích chi tiết hai mô hình giao thức Top-To-Bottom và Bottom-To-Top.
  • Nguyên lý vận hành của mạng lưu trữ phân tán IPFS (CID, DHT, Merkle DAG, IPNS, Bitswap).
  • Lý thuyết mã hóa ABE, so sánh chi tiết giữa KP-ABE và CP-ABE thông qua bảng đặc tả đầu vào/đầu ra và các bước xử lý thuật toán.
  • Tổng quan các công trình nghiên cứu ứng dụng Blockchain trong IoT, thành phố thông minh, chuỗi cung ứng dược phẩm và quản lý dữ liệu y tế.

Chương 3: Phương pháp thực hiện

Trình bày thiết kế chi tiết hệ thống Healthcare-NFT gồm 3 phân lớp (Lớp người dùng, Lớp Blockchain, Lớp mã hóa và lưu trữ):

  • Giải quyết bài toán định danh và hiệu năng năng lượng bằng mô hình Permissioned Blockchain.
  • Xử lý nguy cơ giả mạo và lộ siêu dữ liệu NFT bằng cách triển khai chuẩn ERC-1155 theo giao thức Bottom-To-Top.
  • Xây dựng mô hình mã hóa kết hợp: Sử dụng ABE quản lý cây chính sách (Policy Tree), kết hợp thuật toán mã hóa đối xứng AES để xử lý dữ liệu kích thước lớn và hàm băm SHA đảm bảo tính toàn vẹn.
  • Mô tả quy trình chi tiết 03 luồng hoạt động Smart Contract: Lưu trữ dữ liệu, Cấp/thu hồi quyền truy cập, và Cung cấp bản ghi NFT.

Chương 4: Triển khai hệ thống và thực nghiệm

Hiện thực hóa hệ thống trên nền tảng Hyperledger Sawtooth, cài đặt môi trường và kiểm thử thông qua các kịch bản đo lường tự động:

  • Thực nghiệm đo lường ảnh hưởng của kích thước lô giao dịch (batch size) đến tần suất xử lý giao dịch (throughput) và độ trễ (latency).
  • Đánh giá sự tương quan giữa kích thước dữ liệu trước và sau khi mã hóa.
  • Đo lường tác động của kích thước dữ liệu đầu vào đến hiệu suất và thời gian mã hóa/giải mã.
  • Đánh giá chi phí thời gian và hiệu năng khi thực hiện cấp quyền (Grant Access) và thu hồi quyền (Revoke Access) trên cấu trúc Policy Tree.

Chương 5: Kết luận và kế hoạch phát triển

Tổng kết toàn bộ kết quả đạt được của khóa luận trong việc thiết kế mô hình trao đổi dữ liệu y tế phi tập trung, phân tích các điểm hạn chế về mở rộng mạng lưới và đề xuất lộ trình phát triển ứng dụng trong thực tiễn.

Kết quả và đóng góp

Kết quả thực nghiệm

Khóa luận đã triển khai thành công mô hình thử nghiệm và ghi nhận các số liệu thực nghiệm kỹ thuật qua các bảng dữ liệu:

  • Hiệu năng xử lý giao dịch: Kiểm thử sự thay đổi kích thước lô giao dịch (batch size) trên hệ thống Sawtooth PBFT giúp xác định ngưỡng tối ưu giữa thông lượng xử lý và độ trễ phản hồi khi tiếp nhận giao dịch dồn dập.
  • Tương quan dữ liệu mã hóa: Mô hình kết hợp ABE và AES chứng minh khả năng tối ưu hóa dung lượng bản mã; tệp dữ liệu y tế lớn sau khi mã hóa bằng AES chỉ tăng nhẹ về dung lượng, trong khi khóa AES được bảo vệ bằng CP-ABE với chi phí tính toán cố định theo thuộc tính.
  • Hiệu năng cấp/thu hồi quyền truy cập: Quá trình cập nhật thuộc tính trên Policy Tree và thực thi hợp đồng thông minh diễn ra với độ trễ thấp, đảm bảo khả năng thu hồi quyền giải mã tức thì mà không cần mã hóa lại toàn bộ dữ liệu gốc trên IPFS.

Đóng góp của đề tài

  1. Đề xuất mô hình kinh tế dữ liệu y tế mới: Đưa NFT (chuẩn ERC-1155) vào hệ thống EHR, biến dữ liệu sức khỏe thành tài sản kỹ thuật số do chính bệnh nhân làm chủ, đồng thời thiết lập cơ chế cấp chứng nhận cho các cơ sở y tế tham gia khởi tạo dữ liệu.
  2. Ứng dụng giao thức Bottom-To-Top cho NFT y tế: Chuyển đổi quy trình giao dịch từ việc người bán công khai dữ liệu sang mô hình tổ chức nghiên cứu đưa ra yêu cầu (Template), người dùng đáp ứng dữ liệu (Customize), giúp bảo vệ tối đa tính riêng tư của siêu dữ liệu.
  3. Mô hình bảo mật và lưu trữ lai hiệu quả: Kết hợp thành công mạng lưu trữ ngoài chuỗi IPFS với mô hình mã hóa đa lớp (CP-ABE + AES + SHA), giải quyết triệt để bài toán nghẽn lưu trữ trên Blockchain và kiểm soát truy cập phân tán chi tiết.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế

  • Hệ thống mới được thử nghiệm trong môi trường phòng thí nghiệm với quy mô mạng mở rộng ở mức kiểm thử (từ 5, 10 đến 20 nút mạng).
  • Giao diện Web App chủ yếu tập trung vào việc xác thực vai trò bằng tệp khóa (Key file) và tương tác Smart Contract cơ bản, cần tối ưu hóa trải nghiệm cho người dùng phổ thông.
  • Việc xử lý các chính sách truy cập phức tạp trên Policy Tree khi số lượng thuộc tính tăng cao vẫn tạo ra gánh nặng tính toán nhất định đối với thiết bị người dùng.

Hướng nghiên cứu tiếp

  • Mở rộng quy mô mạng lưới nút kiểm thực và đo đạc khả năng chịu lỗi của thuật toán PBFT trong môi trường mạng diện rộng thực tế.
  • Nghiên cứu cơ chế mã hóa thuộc tính đa thẩm quyền (Multi-Authority ABE - MA-ABE) để phân tán quyền cấp phát khóa giữa nhiều bệnh viện và cơ quan y tế khác nhau.
  • Tích hợp hệ thống vào hạ tầng dịch vụ công của đô thị thông minh (Smart City) và kết nối thử nghiệm với các hệ thống quản lý bệnh viện thực tế.

Giá trị tham khảo

  • Đối tượng thụ hưởng:
    • Sinh viên, học viên cao học và nghiên cứu sinh chuyên ngành An toàn thông tin, Mạng máy tính, Khoa học dữ liệu và Công nghệ phần mềm.
    • Các kỹ sư hệ thống đang nghiên cứu giải pháp bảo mật dữ liệu y tế, quản lý hồ sơ phi tập trung hoặc ứng dụng Blockchain doanh nghiệp.
  • Nội dung giá trị:
    • Cung cấp phương pháp luận chi tiết và bảng so sánh thuật toán giữa KP-ABE và CP-ABE.
    • Cung cấp mô hình kiến trúc kết hợp Permissioned Blockchain (Hyperledger Sawtooth), IPFS và mã hóa khóa lai (CP-ABE + AES) có tính ứng dụng cao cho các bài toán bảo vệ dữ liệu nhạy cảm.
    • Cung cấp tài liệu tham khảo thực tế về việc triển khai token ERC-1155 theo giao thức Bottom-To-Top ngoài phạm vi tài chính và nghệ thuật số.

Câu hỏi thường gặp

1. Vì sao đề tài lựa chọn chuẩn token ERC-1155 thay vì ERC-721?

Chuẩn ERC-721 chỉ hỗ trợ các token không thể thay thế riêng lẻ, không thể nhóm các token có cùng thuộc tính. Chuẩn ERC-1155 kết hợp được các đặc tính của cả Fungible Token và Non-Fungible Token, cho phép quản lý đa dạng dữ liệu, cho phép nhiều cá thể cùng sở hữu hoặc hoán đổi giá trị token trong một số điều kiện nhất định, tối ưu hóa chi phí xử lý và phù hợp với mô hình dữ liệu y tế có nhiều bên cùng đóng góp.

2. Giao thức Bottom-To-Top giải quyết vấn đề riêng tư của NFT như thế nào?

Trong giao thức Top-To-Bottom thông thường, người bán phải tạo và công khai siêu dữ liệu NFT lên sàn giao dịch, tạo ra nguy cơ lộ thông tin cá nhân. Giao thức Bottom-To-Top đảo ngược quy trình: Người mua (Creator) tạo mẫu yêu cầu dữ liệu (Template), người sở hữu dữ liệu (Provider) mới cấu hình dữ liệu (Customize) để đáp ứng riêng cho yêu cầu đó. Dữ liệu chỉ mở cho đối tượng yêu cầu và không bị công khai cho toàn bộ mạng lưới.

3. Tại sao hệ thống sử dụng thuật toán CP-ABE thay vì KP-ABE để quản lý truy cập?

Trong KP-ABE, cây chính sách được gắn với khóa bí mật của người dùng, chủ sở hữu dữ liệu không thể kiểm soát ai sẽ giải mã được dữ liệu mà phải phụ thuộc vào bên cấp phát khóa. Ngược lại, CP-ABE gắn cây chính sách (Policy Tree) trực tiếp vào bản mã dữ liệu, cho phép người bệnh tự quy định các thuộc tính cần thiết để mở khóa hồ sơ, từ đó trao quyền kiểm soát truy cập trực tiếp cho chủ sở hữu dữ liệu.

4. Hệ thống kết hợp IPFS, AES và ABE nhằm mục đích gì?

Blockchain có chi phí tính toán cao và khả năng lưu trữ tệp lớn rất hạn chế. Hệ thống giải quyết vấn đề này bằng cách: Tệp bệnh án thô được mã hóa nhanh bằng thuật toán đối xứng AES; khóa AES được mã hóa bảo mật bằng thuật toán CP-ABE; toàn bộ bản mã được lưu trữ ngoài chuỗi (off-chain) trên mạng phân tán IPFS. Blockchain chỉ lưu trữ mã định danh băm CID và cây Merkle để xác thực tính toàn vẹn, giúp tối ưu hóa hiệu năng và dung lượng khối.

Kết luận

Khóa luận tốt nghiệp của tác giả Nguyễn Thành Tiến đã thiết kế và hiện thực thành công hệ thống Healthcare-NFT, giải quyết hiệu quả các rào cản về tính bất đối xứng, quyền riêng tư và lưu trữ tập trung của các hệ thống hồ sơ sức khỏe điện tử hiện nay. Thông qua sự kết hợp giữa nền tảng Permissioned Blockchain (Hyperledger Sawtooth với PBFT), hệ thống lưu trữ phân tán IPFS và mô hình mã hóa lai CP-ABE kết hợp AES, đề tài đã thiết lập một kiến trúc kỹ thuật an toàn và minh bạch. Nghiên cứu mang lại đóng góp thiết thực khi chuyển đổi mô hình dữ liệu y tế sang cơ chế lấy bệnh nhân làm trung tâm, tạo tiền đề khoa học cho việc quản lý và thương mại hóa dữ liệu số an toàn trong bối cảnh phát triển đô thị thông minh.