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随着数字健康技术发展，数字生物标志物（DBx）数据量剧增，但数据真实性和准确性存疑。研究人员聚焦数字水印技术，发现其可保障 DBx 数据完整性与溯源性，对提升健康数据可靠性意义重大，有望革新医疗数据管理。
在当今数字化时代，健康领域正经历着前所未有的变革。数字健康技术如雨后春笋般涌现，各种可穿戴设备、数字监测工具不断收集海量数据，数字生物标志物（Digital Biomarkers，DBx）也应运而生。DBx 就像是隐藏在数据海洋中的宝藏，它能从图像、文本、音频、视频等多源数据中提取出可量化的结果，为疾病的诊断、监测和治疗带来了新的曙光。想象一下，通过佩戴智能手环，就能实时监测身体的各项指标，医生根据这些数据及时调整治疗方案，这是多么令人期待的医疗场景。
然而，美好的愿景背后却隐藏着重重危机。随着数据量呈指数级增长，数据的真实性和准确性问题日益凸显。就像在茫茫大海中航行的船只，失去了可靠的导航，随时可能迷失方向。大型语言模型（Large Language Models，LLMs）的出现更是雪上加霜，它们生成的内容高度逼真，难以与人类创作区分开来。这意味着在 DBx 数据中，可能混入大量合成或被篡改的数据，这些 “假数据” 会严重干扰临床诊断、影响医学研究成果，阻碍健康领域的创新发展。比如，在疾病诊断过程中，如果依据的是虚假的 DBx 数据，很可能导致误诊，延误患者的治疗时机。因此，如何确保 DBx 数据的可靠性和溯源性，成为了亟待解决的关键问题。
为了攻克这一难题，来自哈佛医学院（Harvard Medical School）的 Arjun Mahajan 和英国斯特灵大学（University of Stirling）的 Dylan Powell 展开了深入研究。他们将目光投向了数字水印技术，试图探索其在保障 DBx 数据安全方面的巨大潜力。研究结果显示，数字水印技术有望成为解决这一问题的有效途径，它就像给数据贴上了独一无二的 “防伪标签”，能够确保数据的完整性和溯源性，为构建可靠、以患者为中心的去中心化医疗体系提供有力支持。这一研究成果发表在《npj Digital Medicine》杂志上，引起了广泛关注。
在研究过程中，研究人员主要运用了数字水印技术原理，并结合新兴的区块链技术。数字水印技术基于隐写术原理，通过对数字信号中冗余或不重要的部分进行细微、难以察觉的修改，将识别数据嵌入其中。区块链技术则为水印的实施提供了更可靠的版权和交易保护机制。
数字水印技术的原理及应用
数字水印技术是基于隐写术原理发展而来的一种数据保护技术。它通过对数字信号中冗余或不重要的部分进行细微、难以察觉的修改，将识别数据嵌入其中。根据不同的设计需求，水印可分为鲁棒水印和脆弱水印。鲁棒水印能在常见的数据修改操作中保持完整，适合用于证明数据的所有权；而脆弱水印则在数据被篡改时会被破坏，主要用于检测数据是否被篡改。这种技术在多个领域已有广泛应用，例如在 PDF 文件中确保文件内容的真实性，在视频和多媒体流中防止未经授权的内容分发。在 DBx 数据领域，以通过可穿戴传感器收集的步态数据为例，数字水印可以在不影响数据核心功能的前提下嵌入其中，从而确保数据的真实性和可追溯性。
数字水印技术在 DBx 数据中的优势
- 确保所有权和真实性证明：在 DBx 数据的整个生命周期中，从研究、临床应用到监管环节，数字水印都能发挥重要作用。在临床实践中，带有水印的生命体征数据或声学（语音）测量数据，能为临床医生和其他相关人员提供有力证据，证明这些数据并非合成，而是真实可靠的。在医学研究和创新领域，水印可确保数据集的可追溯性和完整性。与加密或安全校验和方法不同，数字水印直接将数据来源信息嵌入数据本身，即使数据在不同平台之间传输或共享，也能持续进行验证。这一特性在算法审计中尤为重要，例如英国的 DRCF 算法处理工作流就强调了数据使用过程中透明度和可追溯性的重要性。
- 增强数据溯源和可追溯性：数字水印不仅能保证数据的完整性，还能提升数据的透明度，赋予患者对自己健康数据更多的控制权。像 NHS 移动应用等工具致力于让患者管理自己的数据共享方式和目的，数字水印可以与之相辅相成，确保在数据传输或复制过程中，数据来源始终清晰可查。与元数据跟踪或审计日志不同，数字水印直接与数据集成，更能抵抗篡改和数据丢失，从而有力地验证数据的使用情况和来源，增强患者与医疗服务提供者之间的信任。通过提供详细的数据使用信息，数字水印还能帮助发现未经授权的访问或数据修改，进一步增强人们对数字健康系统的信心。同时，它也促进了患者与医疗服务提供者之间关于数据使用的有效沟通，使患者在医疗过程中能够更加积极、明智地参与。
数字水印技术在医疗领域应用面临的挑战
- 技术和实施相关问题：在多模态数据处理过程中，如数据压缩（无损或有损压缩）、加密以及跨平台传输等操作，可能会导致嵌入的水印退化或丢失，因此需要关注水印的耐久性。为了确保数字水印在不同的电子健康记录或研究系统之间具有兼容性，还需要对数字水印技术及其对常见数据转换的抗性进行标准化。此外，随着医疗网络中实时数据量的不断增加，水印算法需要进行优化，以在不影响数据处理速度和功能的前提下，处理大量数据。对于像通过可穿戴传感器收集的步态数据等 DBx 数据来说，开发超越数据生成阶段的自适应水印技术尤为重要。例如，在用于监测帕金森病或中风后康复情况的步态分析中，直接将可追溯性嵌入时间序列数据可能会带来更好的效果。
- 患者自主权和伦理标准问题：数字水印的实施必须谨慎设计，以平衡数据真实性验证的好处与严格的隐私保护需求。这意味着要保护患者的敏感信息，尊重患者的个人偏好，包括那些不希望自己的数据被跟踪或监测的情况。为了增强患者的自主权，可以开发易于使用的平台，让患者能够跟踪谁访问了他们的健康数据、查看权限设置，并在数据共享或限制访问方面做出明智的决策。同时，还需要重新审视并建立围绕医学研究和公共卫生监测中使用数字水印的伦理准则或最佳实践，明确适当的去识别化标准，防止因某些人群的数据更容易被追溯而导致新的医疗歧视。
- 与现有原则、标准和生态系统的协调问题：数字水印技术不仅要符合基础的安全、隐私和研究标准，如《健康保险流通与责任法案》《数字对象标识符》和 FAIR 原则等，还应通过创建可审计的患者数据访问和修改记录，积极帮助医疗系统遵守这些框架。数字水印在不同的使用场景下作用有所不同。在封闭系统中，它主要用于防止数据篡改和未经授权的分发；而在公开共享的数据集中，水印可验证数据来源并检测数据操纵，在人工智能模型训练或研究等二次应用中发挥重要作用。为了在数据使用不透明的情况下提高透明度，数字水印应与审计日志、监管监督和数据谱系报告机制等互补工具结合使用，共同构建一个全面的数据保护框架。
综上所述，数字水印技术在保障 DBx 数据的可靠性和溯源性方面具有巨大的潜力，为数字健康领域带来了新的希望。它有望成为构建以患者为中心、可靠且去中心化医疗体系的关键技术，增强人们对算法驱动的医疗生态系统的信任。然而，目前该技术在医疗应用中仍面临诸多挑战，如确保水印的耐久性、实现跨系统的标准化以及解决伦理问题等。未来，还需要持续的研究和谨慎的实践，以克服这些障碍，充分发挥数字水印技术在改善数字健康数据真实性和溯源性方面的全部潜力，推动医疗行业的数字化转型，为人们的健康福祉提供更坚实的保障。
