# 診療記録で事前学習した言語モデルからの 学習データ中の人名漏洩リスクの推定

1,2 中村優太 3 花岡昇平 4 野村行弘 4 林直人
1,3 阿部修 2 矢田竣太郎 2 若宮翔子 2 荒牧 英治
1 東京大学大学院医学系研究科生体物理医学専攻
2 奈良先端科学技術大学院大学
3 東京大学医学部附属病院放射線科
4 東京大学医学部放射線医学教室コンピュータ画像診断学／予防医学講座

## 1 はじめに

診療記録とは，医療機関などで主に医療従事者 によって作成される，患者の身体状況，病状，治療 などが記載された文書を指す。診療記録には，医師による経過記録のほか，看護記録，検査報告書，薬剤指導記録，栄養指導記録，リハビリテーショ ン記録などが含まれる [1]. 近年 BERT [2] などの 言語モデルにより，これら診療記録に対する自然言語処理が高精度で達成されるようになった [3].診療記録を学習データとした言語モデルも多数発表されており, ClinicalBERT [4], BlueBERT [5], UTH-BERT [6], MS-BERT [7] などは匿名化済み診療記録で学習されモデル自体も公開されている。一方 EhrBERT [8], AlphaBERT [9]のように, 論文化され ているがモデル自体は非公開のものもある.

言語モデルを公開せず作成施設内での使用にと どめる場合, 学習データの匿名化が必須ではなくな り，学習データの作成コストを削減できる. しか し, そうしたモデルが誤って流出すると，個人情報 の不正取得に利用される恐れがある.

先行研究では, 言語モデルからの個人情報漏洩 リスクに対する見解は様々である．Carlini らは， GPT-2[10] モデルに自然言語生成させると約 $0.1 \%$ の 頻度で学習データの一部をそのまま出力し, そこ には個人情報も含まれることを示した [11]. 一方 Nakamura らは，対象とする個人情報の種類や個人情報漏洩の状況を定式化し, 現実的には診療記録で 事前学習した BERT モデルからの個人情報流出リス クは低いと報告した [12].

この見解の相違の背景には次のような原因が推測される: (i) Carlini らはまず言語モデルに自然言語生成をさせ，その生成物に対して議論を行ってい るが，Nakamura らは学習データ中の対象個人情報 の種類の決定と量の把握を出発点としている. (ii) Nakamura らは，個人情報不正取得の基準をやや厳 しく定めており，学習データの各文書がどの患者由来か正しく推定できれば成功，それ以外はすべて失敗としたため，リスクを過小評価している可能性が ある．実際は，単にある人物が学習データに含まれ ていたという事実が漏洩するだけでも本人への脅威 となる可能性がある。当該医療機関への入院歴があ ることを第三者に知られてしまうためである。

そこで本研究では，事前学習済み言語モデルを用 いて「ある患者名が学習データ中に含まれていたか 否か」が正しく推定されてしまう可能性の定量的評価を試みた。結果，本研究で検討した範囲では，そ のような人名漏洩リスクも低いものと考えられた。

## 2 関連研究

Malin らは，診療記録中の情報のうち個人が特定しやすいものほど漏洩時の影響が大きいとし た [13]. 例えば，氏名や生年月日は単独で，口座番号や資格証番号は他データベースとの照合により， それぞれ個人を特定しうる。病歴や検査値などの医学的情報も, 経時的変化しないものや稀なもの（難病の既往歴など）は個人の特定に繋がりやすい.

本研究で用いる診療記録コーパスが作成され た米国では，HIPAA 法 [14] が，二次利用する診療記録の氏名，住所，ID などの 18 種の識別子 (18 HIPAA Identifiers) を削除し，保護すべき個人情報 (PHI, Protected Health Information) の漏洩を防ぐよう 定めている.

先行研究では, 言語モデルからの個人情報不正取
得は，中間パラメータを用いる white-box attack, 最終出力のみを用いる black-box attack に二分される。 White-box attack の例として, Zhu らは学習時の勾配 から, Song らや Pan らは隠れ状態から入力文の復元を試みた $[15,16,17]$. Black-box attack の例として, Misra らや Hisamoto らは，学習済みの GPT-1 [18] や 機械翻訳モデルが, 文書サンプルが学習データ内外 どちらのものか識別しうることを示した $[19,20]$. Carlini らは, LSTM [21] モデルが学習データの部分文字列を意図せず記憶しうることを示し，その定量評価法を提案したほか [22], GPT-2 モデルからの学習データの一部の復元に成功した [11].

## 3 問題設定および材料

## 3.1 問題設定

本研究では，以下のように細部の異なる個人情報漏洩の状況設定を 2 つ検討する。

状況設定 1 以下の 3 条件を仮定する:
- 医療機関は診療記録全体から部分集合 $\mathscr{D}_{\text {private }}$ を得る。
- 医療機関は，事前学習済みのドメイン非特化な 言語モデル $M_{\text {general }}$ に D private を用いた事前学習 を追加して $M_{\text {hospital }}$ とし， $M_{\text {hospital }}$ を公開する。

・攻撃者はターゲットとする氏名のリスト $\mathscr{L} を$作成する. 攻撃者は $M_{\text {hospital }}$ を用いて $\mathscr{L}$ の各氏名が Dprivate に含まれていたか否か推測する (つ まり $\mathscr{L}$ 内の各氏名に対して二値分類を行う).

状況設定 2 「状況設定 1」に以下を加える：

・医療機関は $\mathscr{D}_{\text {private }}$ を HIPAA 準拠匿名化したも のを $\mathscr{D}_{\text {public }} と し ， \mathscr{D}_{\text {public }}$ も公開する.

KART Framework [12]を用いると，状況設定 ${ }_{i}$ は 「攻撃者の事前知識, 学習データの匿名化, 攻撃者 が利用可能な言語資源, 攻撃者の目標」の 4 パラ メータの組として以下の $\mathrm{KART}_{i}$ のように表せる:

$
\operatorname{KART}_{1}=\left(\mathscr{L}, \mathrm{id}, \varnothing,\left.\{\mathbb{1}\left(\text { name } \in \mathscr{D}_{\text {private }}\right) \mid \text { name } \in \mathscr{L}\right.\}\right)
$

$
\mathrm{KART}_{2}=\left(\mathscr{L}, \mathrm{id},\left.\{\mathscr{D}_{\text {public }}\right.\},\right.
$

$\left.\{1\left(\right.\right.$ name $\left.\in \mathscr{D}_{\text {private }}\right) \mid$ name $\left.\left.\in \mathscr{L}\right.\}\right)$

## 3.2 コーパス

MIMIC-III [23] および MIMIC-III-dummy-PHI [12] を利用した. MIMIC-III は英語の診療記録約 208 万文書からなる大規模コーパスであり, HIPAA 準拠

匿名化のため 18 HIPAA Identifiers にあたる個人情報が特殊記号 (placeholder) に置換されている。また MIMIC-III-dummy-PHI は, MIMIC-III $の$ placeholder $の$ うち対象個人情報のカテゴリが推定可能なものを， Faker ライブラリ ${ }^{11}$ や i2b2 2006 shared task [24] デー タセットから無作為に生成・抽出したダミ一個人情報で再置換し，あたかも個人情報を含んでいるかの ように改変したものである.

図 1 のように, MIMIC-III から 100 万文書を無作為に選んで $\mathscr{D}_{\text {private }}$ とし, 同じ 100 万文書を MIMICIII-dummy-PHI から選んで $D_{\text {public }}$ とした. つまり $\mathscr{D}_{\text {private }}$ と $\mathscr{D}_{\text {public }}$ は匿名化の有無以外は同一である.

## 3.3 対象言語モデル

$M_{\text {general }}$ は Google によって公開されている uncased BERT $_{\text {BASE }}$ モデルとした. また $M_{\text {general }}$ から開始し て $\mathscr{D}_{\text {private }}$ による事前学習を追加したものを $M_{\text {hospital }}$ とした。事前学習のパラメータは ClinicalBERT [4] を踏襲し, 最大入力長 128 トークン, 学習率 $2 \mathrm{e}-5$, batch size 64, step 数 100,000 とした.

## 3.4 人名漏洩テストの対象患者氏名

実際に D Drivate に出現する氏名 (正例) と出現しな い氏名 (負例)を同数ずっ用意し, 正例と負例の和集

正例の収集方法を以下に示す. 一般的に診療記録 に患者氏名はほとんど記載されないが，MIMIC-III では患者の年齢と性別を述べた “ $\mathrm{X}$ is a(n) Y years old (fe)male"という形の一節を探すと，まれに X が一般名詞句ではなく患者氏名である場合がある．そこ で，そうした一節から始まる連続した 5 文を重複 を除いてすべて抽出した. 次に，各抽出箇所のう ち，患者氏名 X の姓，名がともに $M_{\text {general }}$ によって 1トークンで表現されるもの (subword に分割されな


いもの)のみを集め，「患者氏名パターン」とした。 $D_{\text {private }}$ には患者氏名パターンは 232 回出現し, 重複 を除いて 158 種存在した。また，氏名は重複を除い て 130 種存在しており,この 130 種を正例とした.

負例は，Faker に収録されている米国の実際の氏名の分布を近似した分布からサンプリングを繰り返 し，重複を除いて 130 種収集した. その際，姓名と もに $M_{\text {general }}$ が 1 トークンで表現でき，かつ以下の 条件のいずれかを満たすサンプルのみを受理した.
- Easy Negative: Dprivate に一度も出現しない.ま た，姓と名のいずれも，正例に含まれるどの氏名とも一致しない.
- Hard Negative: $D_{\text {private }}$ に一度も出現しないが,姓と名のうちどちらか一方が正例の氏名のうち 少なくとも 1 つ以上と一致する.

## 4 人名漏洩リスクの評価実験

攻撃者が $M_{\text {hospital }}$ を用いて患者氏名パターン中の 氏名部分を復元しょうとしたと想定し，その実現性 を評価した. 状況設定 1 では攻撃者は $\mu_{\text {hospital }}$ 以外 に言語資源をもたないため，自然言語生成によって 学習データの再現を目指すものとした. 状況設定 2 では攻撃者は $\mathscr{D}_{\text {public }}$ も利用できるため， $\mathscr{D}_{\text {public }}$ の匿名化の解除を目指すものとした。

## 4.1 自然言語生成による人名推定

Wang らの研究 [25] を参考に， $M_{\text {hospital }}$ を用いたギ ブスサンプリングによって 10,000 文書を生成し，そ の集合を $\mathscr{G}$ とした. 手法の詳細は付録 Bを参照さ れたい. 生成例を以下に示す.

次に，各候補氏名 $l \in \mathscr{L}$ に対し， $l$ の姓または名の うち少なくとも一方が 1 度でも 9 に出現していれば 正例，そうでなければ負例と推定した。

## 4.2 Masked Langauge Model による人名推定

名マスキング箇所に対し， $M_{\text {hospital }}$ を用いた masked language model によって患者氏名を復元させ，その際に高い事後確率が割り当てられる傾向にある姓名 が Dprivate に含まれていたものと推測した.

まず全患者氏名パターン 158 種に対応する $\mathscr{D}_{\text {public }}$内の記載の集合を $\delta$ とおいた. $\delta$ の要素は“(名の placeholder) (姓の placeholder) is a(n) (年齢) years old (fe)male""から始まる連続した 5 文である。次に， Sの各要素の冒頭の姓名の placeholderをそれぞれ [MASK] トークンに置換し，他の placeholder を削除 したものを す'とした。

事前の検討では， $\delta^{\prime}$ の全要素を入力としても精度 が得られなかった.そこで，言語モデルを学習モー ドの状態に切り替えて多数回 masked language model の推論を行う方針とし，推論の対象も $\delta^{\prime}$ から重複 を許して 10,000 個選んだものの集合 $\mathcal{S}^{\prime \prime}=\left.\{\mathbf{s}_{i}^{\prime \prime}\right.\}_{i=1}^{10000}$ とした。これは言語モデルが推論モードでは同一サ ンプルに対して同一の出力を返すが，学習モードで は dropout の適用などによって実行毎に異なった事後確率を出力することを利用している.

最後に各候補氏名 $l \in \mathscr{L}$ を，学習モードでの masked language model による事後確率の平均が $M_{\text {general }}$ より $M_{\text {hospital }}$ で高くなる場合に正例と推測し た. つまり, $l$ が

$\frac{1}{10000} \sum_{i=1}^{10000}\left.\{p\left(l \mid s_{i}^{\prime \prime}, M_{\text {hospital }}\right)-p\left(l \mid s_{i}^{\prime \prime}, M_{\text {general }}\right)\right.\}>0$ をみたせば正例，そうでなければ負例と推測した。

## 4.3 人名漏洩リスクの評価指標

否かを推測する二値分類であるため，評価指標に はF1 scoreを用いた. 参考のため, Accuracy, Precision， Recall も算出した.

## 5 結果と考察

表 1 に示すように, 自然言語生成は masked language model より高いF1 scoreを示し，負例が Easy Negative，Hard Negative の場合でそれぞれ 0.6542, 0.6052 であった. Masked language model は, 学習 データのうち個人情報を除いた一部分を用いたにも 関わらず，自然言語生成より低い F1 score となった.表 1 からは，自然言語生成が氏名候補を過大に推定し, masked language model が過小に推定する傾向 がみられ，自然言語生成の Recall の高さが F1 score の上昇をもらたしたと思われる。この理由には，ま ず自然言語生成にギブスサンプリングを用いたこと が挙げられる。ギブスサンプリングは互いに独立な
表 1: 学習データ中の患者氏名の推定結果.

表 2: 状況設定 1 において異なる言語モデルを用い た際の患者氏名の推定結果の変化.

サンプル点を多数得るための技法であり，結果とし て語彙中の様々な単語が動員され, 多様な生成結果 が得られたものと思われる。一方， masked language model はトークン単位の空所補充であり, 学習時に 出力の多様性ではなく正確性を優先させるもので あるため，一部の単語にしか高い事後確率を割り当 てなかったものと推測される. しかし, 本研究では masked language model は自然言語生成よりも Recall を低下させたのみで，明らかな Precision の上昇をも たらさなかった.

自然言語生成を $M_{\text {general }}$ を用いて行った結果との 比較を表 2 に示す. 負例が Easy Negative の場合，つ まり正例の姓，名のうち一方が 1 回でも出力されれ ば自動的に正解となる状況では， $M_{\text {hospital }}$ は $M_{\text {general }}$ より高い性能を示し，特に Accuracy は 0.4885 から 0.5731 に上昇した. しかし, 負例が Hard Negative の場合，つまり正例と姓または名の片方が一致す る氏名が負例に必ず存在する状況では， $M_{\text {general }} と$ $M_{\text {hospital }}$ の差は明らかではなかった. なお, 生成 された 10,000 文書に, BERT $_{\mathrm{BASE}}$ モデルによって 1 トークンで表現される姓は計 446 回, 名は計 2,911 回出現したが，フルネームつまり「姓+名」の並び は 113 回，そのうち $\mathscr{L}$ の候補と一致するものは 2 回 のみであった. よって，少なくとも 10,000 文書を生成した時点では，患者氏名全体がそのまま出力され ることは稀であり，姓名のいずれか一方が正しく推測する可能性も限定的と考えられる。ただし，自然言語生成は $M_{\text {hospital }}$ さえあればいくらでも行えるた め，さらに多量の文書を生成すると人名漏洩リスク が上昇する可能性はある.以上からは，少なくとも本研究で検討した範囲で は，言語モデルを用いてある人名が学習データ中 に含まれていたか否かを推定できる可能性は小さ いと思われる。理由は，(i) 自然言語生成は masked language model より高い F1 score や Recallを示すが,実際は学習前から限定的にしか変化していない，(ii)攻撃者が学習データのうち個人情報を含まない部分を入手したとしても，今回の検討手法では人名漏洩リスクに明らかな上昇はみられない，の２点で ある。

本研究の限界は 2 点存在する. 1 点目は, $M_{\text {general }}$ から事前学習を開始したため，患者氏名の推測が $M_{\text {general }}$ と $M_{\text {hospital }}$ のどちらの学習データ中の人名に 依拠したか判別しづらい点である.今後は全くの初期状態から $M_{\text {hospital }}$ を事前学習した場合についての 検討が有用と思われる． 2 点目は，学習データ中の 人名のほとんどは医療従事者の氏名であり，患者氏名はごく一部に過ぎないという，診療記録特有の問題点である。つまり，言語モデルが学習データ中の 人名を正しく推定しても，それが患者氏名ではない 可能性が高い. すると，言語モデルからの人名漏洩 リスクは，対象医療機関の診療記録中の人名に患者氏名が占める割合からも影響を受けると考えられ，本研究結果が全医療機関に一般化できるとは限らな くなる.今後は言語モデルからの個人情報漏洩リス クをより正確に評価するため，これらの限界を考慮 したさらなる緻密な実験が必要と考えられる。

## 6 おわりに

本研究で検討した範囲では，言語モデルから学習 データ中の人名が漏洩する可能性は小さいものと推測される。言語モデルからの個人情報漏洩リスクを 網羅的に評価するため，さらに現実的な状況設定を 対象としながら検討を続けていきたい.

## 参考文献

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## A 患者氏名パターンに関する統計

正例である 130 種の患者氏名が， $\mathscr{D}_{\text {private }}$ の 158 種 の患者氏名パターン中に計 232 回出現した. 表 3 に 示すように, 同一の患者氏名が学習データ Dprivate 中に最大 4 種類の異なる複数種の患者氏名パターン として出現している. また，同一の患者氏名パター ンが複数回繰り返し出現することもあり, 結果とし て患者氏名ごとの患者氏名パターン総出現回数も 1 回から 25 回とさまざまであった (表 4).

表 3: 患者氏名パターンの重複を除いた個数ごとの 正例の個数.

 & 正例数 \\

3 種類 & 3 \\
2 種類 & 10 \\
1 種類 & 113 \\

表 4: 患者氏名パターン総出現回数ごとの正例の個数.

 & 正例数 \\

11 回 & 1 \\
7 回 & 2 \\
6 回 & 1 \\
5 回 & 3 \\
4 回 & 4 \\
3 回 & 6 \\
2 回 & 15 \\
1 回 & 97 \\

## B 自然言語生成手法の詳細

まず [MASK] トークンを含んだ Lトークン長の入力文 $\mathbf{x}^{(0)}=\left(x_{1}^{(0)}, \ldots, x_{L}^{(0)}\right)$ を用意し，次に $t=0, \ldots, T-1$ に対し， $\mathbf{x}^{(t)}$ 内のある 1 トークン $x_{i^{(t)}}^{(t)}$ を別単語に置換して $\mathbf{x}^{(t+1)}$ を得た. ただし $i^{(t)}$ は $x_{i^{(t)}}^{(0)}$ が [MASK] トークンであるように無作為に選んだ。これを繰り 返して最後に得た $\mathbf{x}^{(T)}$ を生成結果とした.

単語の置換の際には，まず $\mathbf{x}^{(t)}$ を入力とする masked language model が位置 $i^{(t)}$ に高いロジットを 与えた上位 $k$ 単語を BERT 辞書の語彙全体から選 んで $v_{1}^{(t)}, \ldots, v_{k}^{(t)}$ とし, 次に $v_{j}^{(t)}$ に確率 $\frac{\exp \left(q_{j}^{(t)} / \alpha\right)}{\sum_{m=1}^{k} \exp \left(q_{m}^{(t)} / \alpha\right)}$
を割り当てるようなカテゴリカル分布を用いて置換先の単語を $\left.\{v_{j}^{(t)}\right.\}_{j=1}^{k}$ から無作為に 1 つ選んだ. た だし $q_{j}^{(t)}$ は $v_{j}^{(t)}$ に対する masked language model の口 ジット， $\alpha$ は温度パラメータである.

本研究では $\mathbf{x}^{(0)}$ として文 “[CLS] Service: [MASK] [MASK] [MASK] [MASK] [MASK] is a [MASK] year old" の末尾に更に [MASK] トークン 18 個と [SEP] トークンを連結して $L=32$ としたものを用い， $T=500, k=100, \alpha=1.0$ とした.
 1,2 中村優太 3 花岡昇平 4 野村行弘 4 林直人 1,3 阿部修 2 矢田竣太郎 2 若宮翔子 2 荒牧 英治 1 東京大学大学院医学系研究科生体物理医学専攻 2 奈良先端科学技術大学院大学 3 東京大学医学部附属病院放射線科 4 東京大学医学部放射線医学教室コンピュータ画像診断学／予防医学講座  