Architektur dezentraler Infrastrukturen zur souveränen Verwaltung und effektiven Nutzung von Gesundheitsdaten

Dezentrale Dateninfrastrukturen auf Basis der Blockchain-Technologie werden
zunehmend als vielversprechende Lösungen für die sichere, selbstsouveräne Verwaltung,
Speicherung und wissenschaftliche Nutzung von sensiblen Gesundheitsdaten
in der Wissenschaft und Praxis diskutiert. Diese Infrastrukturen schaffen
die Voraussetzung für den Gebrauch von Gesundheitsdaten in der personalisierten
Medizin, wodurch sich eine effektivere Gesundheitsversorgung erhofft wird.
Speziell die Architektur solcher Systeme ist herausfordernd, wie die schleppende
Umsetzung der elektronischen Patientenakte (ePA) in Deutschland zeigt. ... mehrTrotz des
Potentials solcher Gesundheitsdateninfrastrukturen zur Primär- und Sekundärnutzung
medizinischer Daten bestehen erhebliche technische, organisatorische und
rechtliche Herausforderungen. Diese Herausforderungen erfordern eine systematische
Berücksichtigung und Adressierung bei der Konzeption und Entwicklung
derartiger Systeme, um deren Effektivität, Sicherheit und Akzeptanz langfristig
zu gewährleisten.
Vor diesem Hintergrund widmet sich die vorliegende Arbeit der systematischen
Untersuchung und methodischen Unterstützung der Architektur dezentraler Dateninfrastukturen
im Gesundheitswesen, insbesondere unter Anwendung der
Blockchain-Technologie. Ziel der Arbeit ist es, durch die Entwicklung eines
Entscheidungsmodells den Architektur- und Entwurfsprozess zu unterstützen,
indem eine strukturierte Herangehensweise zur Identifikation und Bewertung
von Designentscheidungen bereitgestellt wird. Die Erstellung des Entscheidungsmodells
erfolgt auf Grundlage einer iterativ erarbeiteten Taxonomie, welche die
wissenschaftlich veröffentlichten Systemarchitekturen anhand ihrer technischen
Designmerkmale kategorisiert und somit deren Vergleichbarkeit sowie Differenzierung
ermöglicht.
Aufgrund der unzureichenden Berücksichtigung methodischer Sicherheitsbetrachtungen
in der wissenschaftlichen Literatur bei der Konzeption von Gesundheitsdateninfrastrukturen
auf Grundlage der Blockchain werden zwei Anwendungsfälle
entwickelt: Erstens eine Systemarchitektur für eine Dateninfrastruktur
zur selbstsouveränen Vernetzung der Primärversorgung und zweitens ein Datentreuhandmodell
zur Sekundärnutzung medizinischer Daten für Forschungszwecke.
Dabei werden der jeweilige Systemkontext, die spezifischen Anforderungen
sowie die beteiligten Akteure systematisch analysiert. Darüber hinaus erfolgt eine
Sicherheitsanalyse unter Anwendung der STRIDE-Methode, um potentielle
Bedrohungen zu identifizieren, Sicherheitsmechanismen abzuleiten und darauf
basierend eine Systemarchitektur zu entwickeln.
Im Anschlusswird überprüft,welche Designentscheidungen durch das entwickelte
Entscheidungsmodell für die Anforderungen der Anwendungsfälle vorgeschlagen
werden und analysiert, inwieweit diese mit den klassisch entwickelten Architekturen
übereinstimmen. Die Evaluation des Entscheidungsmodells erfolgt außerdem
durch eine Befragung von Expert*innen. Basierend auf den Erfahrungen und
Erkenntnissen erfolgt abschließend eine methodische Einbettung des Entscheidungsmodells
in den Prozess zur Konzeption von Softwarearchitekturen.

Decentralized data infrastructures based on blockchain technology are being discussed
as promising solutions for the secure, self-sovereign management, storage,
and scientific utilization of sensitive health data in research and practice. These
infrastructures provide the foundation for leveraging health data in personalized
care, thereby aiming to enable more effective healthcare services. However, the
architecture of such systems is inherently complex, as evidenced by the slow implementation
of the electronic health record in Germany. Despite the potential of
these infrastructures for the primary and secondary use of medical data, significant
... mehr
technical, organizational, and legal challenges remain. Addressing these challenges
systematically is crucial to ensuring such systems’ long-term effectiveness,
security, and acceptance.
This dissertation focuses on the systematic investigation and methodological support
for the architecture of decentralized data infrastructures in healthcare, with
a particular emphasis on blockchain technology. The thesis aims to support the
architectural design process by developing a decision model that provides a structured
approach for identifying and evaluating design decisions. The decision
model is based on a taxonomy that categorizes existing system architectures by
their technical design characteristics, thereby enabling their comparison and differentiation.
To address the insufficient consideration of methodological security aspects in
the scientific literature, the thesis develops two use cases: a data infrastructure for
self-sovereign data sharing in primary care and a data trustee for the secondary
use of medical data in research. For each use case, the system context, specific
requirements, and involved actors are systematically analyzed. Threat modeling is conducted using the STRIDE method to identify potential threats, derive security
mechanisms, and design representative system architectures.
Subsequently, the thesis examines the design decisions proposed by the decision
model for the use cases and analyzes their alignment with traditionally developed
architectures. The decision model is further evaluated through expert interviews.
Finally, based on the insights gained, the decision model is methodologically
embedded into the software architecture design process.