基于密码学的致病基因安全定位方案

作     者：黄秀珍 周潭平 李宁波 HUANG Xiuzhen;ZHOU Tanping;LI Ningbo

作者机构：中国人民武装警察部队陕西省总队医院西安710054 中国人民武装警察部队工程大学密码工程学院西安710086 

出 版 物：《北京生物医学工程》 (Beijing Biomedical Engineering)

年 卷 期：2021年第40卷第2期

页      面：151-159,202页

学科分类：0831[工学-生物医学工程（可授工学、理学、医学学位）] 08[工学] 0836[工学-生物工程] 

基　　金：国家重点研发计划(2017YFB0802000) 陕西省自然科学基金(2020JQ-492) 武警工程大学科研创新团队项目(KYTD201805) 武警工程大学基础基金项目(WJY201910、WJY201914、WJY201912)资助 

主　　题：致病基因 隐私保护 致病基因定位 多基因疾病 多密钥全同态加密 

摘      要：目的基因中发生的一些恶性突变可能会导致癌症、白化病等疾病。医院的研究人员希望定位某个疾病的致病基因的位置信息,但单个医院的基因数据样本都太少,无法进行有效的统计分析。如何在保护患者基因数据隐私的前提下,对不同医院的患者基因数据进行统计与分析,从而定位致病基因的位置,是对这些疾病开展针对性治疗的重要前提。本文在有效保护患者基因数据隐私的前提下,提出一种对不同患者基因数据的密文进行致病基因定位的方法,以在一定程度上解决基因数据的共享和个人隐私保护的矛盾。方法首先,结合密码学中基于格的多密钥全同态加密技术和基于频率的临床遗传学相关内容,提出了一个致病基因安全定位方案,各医院利用同态加密方案加密患者基因数据,将产生的密文上传到云端,云端密态计算基于频率的致病基因定位算法,得到最终统计结果的密文,该密文由各医院联合解密。其次设计了针对多基因疾病的定位电路ITH-intersection、ITop-k,该电路能够对所有参与者中变异次数较多的多个基因位置进行输出,使其具备定位多基因疾病的能力。最后根据上述算法,本文实现了致病基因安全定位整体过程,对两方参与的Intersection电路、SET DIFF电路,每个用户输入48比特的信息进行了测试;对三方参与的ITH-intersection电路,每个用户输入48比特的信息进行了测试。结果相比JWB+17方案,本方案能够实现多基因疾病的致病基因的安全定位,且参与者只需要将各自的基因数据加密和上传一次即可,数据通信量降低了一到两个数量级,且不需要参与者实时在线,但本方案运行的时间更长。结论支持对多方来源的数据进行密态处理的致病基因安全定位方案,一定程度上解决了不同机构间基因数据的分享和个人隐私保护的矛盾,能够大幅降低各医疗机构自身基因数据被泄露的风险,适用于多基因疾病的致病基因的安全定位。