面向社區公衛服務的區塊鏈管控系統

劉春燕 歐嵬

摘要：針對現有整體的健康醫療數據存在的互聯互通標準化程度低、數據安全與隱私保護不到位、數據深度挖掘和分析不足等問題，設計了一種基于區塊鏈的社區醫療管控系統。采用Fabric框架，結合國密算法，在保證用戶醫療信息隱私性的前提下，實現了醫療資源的多方創建、共享、追加更新。系統測試結果表明：在保證安全性的前提下，實現了醫療數據的智能分析、智能轉診、隨訪等功能，系統各性能指標符合目前區塊鏈行業標準。與現有集中式醫療系統相比，該系統融合、聯通了疾病防控、綜合監督、健康教育等信息系統，促進了各醫療衛生單位公共衛生信息的共享與業務協同，實現了社區公共衛生工作的在線監督、動態管理、科學決策。

關鍵詞：區塊鏈;國密算法;隱私保護;醫療數據;結構化

中圖分類號：TP393? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2021）11-0006-06

A Blockchain-based Management System for Community Public Health Work

LIU Chun-yan， OU Wei

（Department of Electronic and Information Engineering， Yongzhou 425199， China）

Abstract： In view of the existing problems of the whole health data， such as low level of connectivity standardization， inadequate data security and privacy preservation， insufficient deep mining and analysis of data， a medical management system based on blockchain for community is proposed. By using of the fabric framework and SM， on the premise of ensuring users privacy of medical information， medical resources are created， shared and updated by multiple parties. The experiment results show that on the premise of ensuring security， it realizes the functions of intelligent analysis， intelligent referral and follow-up visits. All performance indicators of the system meet the current industry standards of Blockchain. Compared with the existing centralized medical system， this system integrates the functions such as disease prevention and control， comprehensive supervision and health education， promotes the public health information sharing and business collaboration， and realizes online supervision， dynamic management and scientific decision-making of public health works on community.

Key words： blockchain; SM; privacy preservation; medical information; structured

1 背景

2020年初爆發的新型冠狀病毒肺炎疫情，再次對公共衛生服務尤其是疾控和突發公共衛生事件預測和監控等方面提出了更高的要求。至2018年底，我國建立了全球范圍最廣的突發重大公共衛生事件以及法定報告傳染病疫情的直報告系統，然而在公共衛生系統化建設上仍然和發達國家有較大差距[1]。如美國最新采用的自動電子病例報告（ECR）實現了主動監測，極大地提高了監測效率，尤其有助于流行病學的早期調查。而搭配的癥狀監測系統是經過持續地采集數據，并且分析設定的疾病臨床癥候群的發作頻率數據，實時察覺疾病在空間上、時間上的異常群集，在疾病的暴發前完成早期探查、預警及快速反應，尤其在公共衛生突發事件及響應中扮演重要角色。在數據應用以支持公共衛生實踐的層面上，利用現代通訊科技和可視化方法及時將監測結果和發現及時推送給不同的受眾，包括地理信息系統（GIS），還有多家開發的信息報告應用軟件如Tableau、IBM Watson Studio、MS Power BI、Logi、SAS等，廣泛應用于公共衛生突發事件應急、傳染病暴發流行、慢性病、傷害、衛生資源等方面[2]。

在此背景下，為進一步實現區域醫療衛生電子化[3]、醫療服務數字化、公衛管理網絡化、信息服務智能化、安全保障一體化，提升醫療資源的整合與集中調配、構成線上管理、線下就診的新型醫療服務的模式[4]，提高智能健康監測、防范與衛生保健的水平，為此我們提出了基于區塊鏈的醫療管控系統，以期解決醫療健康檔案結構型數據自能轉化、健康信息的安全傳輸、存儲、使用及溯源等問題。

2 國內外研究現狀

目前國內外很多大型機構都將區塊鏈技術應用到醫療領域[5]，國外的發展相對比較快。來自國外公司的Gem Health Network特地為醫療市場設計的架構，使用太坊作為醫療區塊鏈的框架，網絡數據則通過以太坊框架的智能合約來完成自動化管理。在建立的多個醫療機構網絡之中，所有的醫療機構成員都能夠與合營機構進行交流討論并共同共享相應的敏感信息，其中包含了醫療數據與認證。美國Kevin Peterson等[6]提出了更加新型的區塊鏈共識機制，通過區塊鏈來完成數據共享，該共識機制通過語義無誤成為區塊生產以及挖礦的認證。美國麻省理工的Ekblaw[7]等采用以太坊架構為開發鏈碼的平臺，實行了分布式數據管理系，該系統使用身份加密、驗證和信息分布式的存儲，確保了敏感醫療信息的安全，為保障系統功能的正常，可靠的運行以及維護，并同時提出了一種新穎的區塊鏈證明機制。來自加州福利亞大學的研究者提出了一種基于區塊鏈醫療信息保護的框架，對私有鏈中的信息實行人工智能詳細分析，能夠以密文呈現患者相關的醫療信息，在這種情景下，確定信息證明算法，采取人工智能方面的技術，提供了一種患者隱私數據保護方案[8]。Suveen、Harlan等人詳細地講解了目前提出的區塊鏈EHR系統，并且提出區塊鏈技術在醫療保健行業中的重大潛力，然而在實際環境的應用中依然存在一些實施阻礙，需要進一步的研究。對于醫療數據系統而言，使用區塊鏈技術是可行的，但是存在著重大障礙挑戰，例如，對于醫療保健沒有適合的區塊鏈設施，而且節點用戶也不愿使用己方的算力來維護區塊鏈醫療系統。本文章僅針對抵抗中間人攻擊問題就提出了三種轉移方案。一直以來，不少的研究者提出了一些有關怎樣在區塊鏈上存儲電子醫療記錄以及怎樣抵御在區塊鏈上的第三方攻擊的解決方案。

2016年，我國逐漸意識到區塊鏈技術所帶來的巨大利益以及發展的空間，國務院發布了規范醫療領域大數據應用發展的看法主張，明確提出未經公民的許可，一律都不能將公民醫療信息違法公開。為推進醫療公共衛生的發展，促進民生經濟發展，同時必須實行在醫療衛生信息共享以及作用意義[9]。2017年，來自電子科技大學夏琦等[10]提出了MeDShare方案，利用區塊鏈技術完成了醫療信息的共享，并實現了對醫療信息驗證和共享權限機制。該方案通過鏈碼跟蹤信息記錄并完成了數據的溯源性能，即使出現了違法業務，能夠使用智能合約來自動吊銷違法分子的準入權限，從而增強了醫療系統的穩定性和安全性。2018年，董黛瑩和汪學明[11]提出了在網絡中醫院聯盟的群組節點可以注冊公鑰再添加到交易的數據中，用戶私鑰使用用戶密碼完成加密，以確保用戶查詢病例能夠借助身份之類的證件;使用戶可以基于檔案數據的安全存儲來實現用戶對每一條記錄的訪問控制。王俊在論文中提出了一種基于互聯網建立區域醫療數據控制中心為關鍵核心的病歷共享系統，這對傳統系統具有一定的應用及研究價值。唐維維也同樣基于傳統系統，在自己的論文中設計并實現了基于云平臺的病歷共享系統，該系統把組織區域中的全部病歷信息存儲在一個集中式數據庫中。本質上來分析，該系統仍然是集中式系統，沒有使用分布式管理的思想。賈大宇等提出了一種區塊鏈數據副本分配策略，能夠增強區塊鏈數據的安全性，以及提高區塊鏈的數據存儲容量。蔡維德等開展了針對區塊鏈可擴展性、一致性要求的深層次的研究，討論并提出了一種新型的基于賬戶鏈與交易鏈的雙鏈模型。邵奇峰等結合相關較為成熟的區塊鏈框架（例如比特幣、超級賬本），詳細闡述了基于區塊鏈系統的體系結構。劉傲迪等從信息安全領域的區塊鏈研究發展入手，總結了數據保護、訪問控制和數據認證等方面的區塊鏈研究進展。

3 關鍵技術

3.1 區塊鏈技術

2016年，國務院將區塊鏈技術列入《“十三五”國家信息化規劃》，并定為戰略性前沿技術。

區塊鏈技術從誕生以來，過去了十多年。自基礎設施建設、底層技術最后到行業的應用發展，國內的產業與區塊鏈逐步健康發展。近年來，隨著黨和國家的密切關注以及政策的支持下，區塊鏈應用場景再次成為大眾關注的焦點。

1）區塊鏈技術概述

從信息技術方面來看，區塊鏈為一種非常特殊的分布式數據記錄形式。記錄信息有兩種傳統的方法：①所有參與者保留各自的賬本并經常檢查，這種方法的效率很低，只有多方產生分歧，就很難順利解決;②每個參與者通過一個共同的，值得信賴的中心點，但是這種方法的嚴重問題為中心點是否有信譽，假設中心點惡意修改賬本，則整個系統將會癱瘓。區塊鏈技術完全能處理傳統記錄系統的信譽等問題，區塊鏈通過多方一起維護賬本，采用密碼學確保數據傳輸與數據訪問安全，可以使數據一致存儲、不可篡改和不可抵賴性技術[12]。

通俗地理解，即使網絡節點之間互相不信任，區塊鏈可以連接網絡中的所有的節點，可以確保網絡中的所有節點得到的記錄是真實準確的，節點直接仍然能建立可靠的交易。這對我國正在建立的信譽建設和終身責任制意義重大。鑒于區塊鏈技術具有透明性、公開性、溯源性和不可篡改等特征，區塊鏈技術將推進互聯網行業發展，聯合傳統互聯網進行創新，組成新一代的互聯網。

區塊鏈應用類型分為三種：①公有鏈，其主要特征為完全去中心化[13]，所有節點加入與退出無任何阻止，賬本完全公開，可在全球的范圍內安全訪問;②私有鏈，參與方通常為大型組織的內部實體，或者是各政務的內部部門，具有集中協調的機制，一般用于高成本業務;③聯盟鏈，通常由政府或者機構發起聯盟;通常具有訪問機制，并且賬本具有保護性能，目前，聯盟鏈是最適合政府與機構應用情景的布局形式，并且便于監管。

2）“區塊鏈+”和聯盟鏈

區塊鏈技術本身具備塊鏈式數據結構等特征，鏈上信息的比傳統集中式數據系統監管要困難得多[14]。目前有關區塊鏈監管規定的核心內容有三點：①區塊鏈所有的經營單位必須在相關的監管部門進行備案;②區塊鏈所有的用戶都要進行實名認證制;③國內所有區塊鏈都要配有監管方。這對公有鏈來說是難以實現的。聯盟鏈不僅有公有鏈去中心特征，聯盟鏈的網狀經濟還可以擴展;聯盟鏈還可以處理多達數千甚至數萬筆交易，這具備了私有鏈的特征;重點在于它的準入控制較完備，這有一種利于嵌入式、責任制和穿透式的易監管形式。聯盟鏈為我國區塊鏈應用轉到產業服務的關鍵技術。加快監管機制的建立以及準則化工作開展，我國區塊鏈將各應用中更加標準規范。

我國一直踴躍探索“區塊鏈+應用”，我國金融機構[15]以及科技型企業等不斷投入“區塊鏈+應用”，現在，區塊鏈金融應用領域逐漸擴展到醫療和政務服務等領域。例如，政務服務的應用，各地的公積金中心使用區塊鏈技術相互連接起來;數據的真實性、可靠性、透明性等特性通過區塊鏈技術的底層算法來確保，并處理數據共享等問題，用戶不需要跨域辦理業務。區塊鏈在新型冠狀病毒疫情暴發過程中，特別是慈善捐贈、物資的物流和防控等有著重要的作用。比如，區塊鏈企業已經發布的區塊鏈慈善平臺，用于處理信息公正以及公開等問題。

3.2 國密算法

國密即國家密碼局認定的國產密碼算法，主要有SM1、SM2、SM3、SM4等。

1）SM1算法

SM1算法為對稱分組加密算法，密鑰與分組的長度均為128比特，SM1算法是以IP核方式存儲在芯片之中，SM1算法不公開，在安全保密的強度、軟硬件的實現性能上，能夠與AES算法相當。已經研發了采用該算法的智能密碼鑰匙、芯片、加密機等產品，并且被普遍地應用在電商服務、民生經濟、政務服務等重要領域。

2）SM2算法

SM2為我國自主研發的橢圓曲線（ECC）公鑰密碼算法，用于取代我國商用密碼系統中的RSA，是一種更先進的安全算法。數字簽名使用SM2-1橢圓曲線數字簽名算法實現，密鑰協商使用SM2-2橢圓曲線密鑰交換協議實現，數據加密使用SM2-3橢圓曲線公鑰加密算法實現。RSA和SM2算法區別在于SM2算法是基于橢圓曲線上的點群離散對數問題，與RSA相比較，2048比特的RSA密碼的強度已低于256比特的SM2密碼。

SM2算法與ECC橢圓曲線密碼機制類似，區別在于簽名以及密鑰交換不同，但是使用了安全性更高的機制。

SM2標準包括四個部分：總則、加密算法、簽名算法、交換協議，每個部分附錄都具體指定了有關的細節和舉例。

在安全性能、速度性能等很多方面，SM2算法都優于RSA算法（RSA算法的發展早，被廣泛地應用，SM2算法領先也很自然），與RSA安全性對比如表1所示。

算法速度對比如表2所示。

3）SM3算法

SM3密碼雜湊算法，主要用于身份認證、數字簽名、隨機數生成等，其算法公開。該算法的安全性與SHA-256相當。為確保SM3算法的安全性，生產的雜湊值長度不能太短，比如，MD5輸出的雜湊值為128位，從而影響其安全性。SM3輸出長度為256位，SHA-1輸出長度為160位，因此SHA-1和MD5的安全性低于SM3算法。

4）SM4算法

SM4是無線局域網標準分組算法。SM4算法的密鑰長度、分組長度均為128位，其算法公開。密鑰擴展算法以及加密算法均使用32輪非線性迭代結構。加密算法的結構與解密算法相同，它們不同之處在于解密輪密鑰的反順序為加密輪密鑰，而輪密鑰使用的順序為相反。

此算法使用非線性迭代的結構，迭代一次通過輪函數來給出，而輪函數則是通過非線性變換與線性變換的組合得到，S盒給出非線性變換。輪密鑰為rki，輪函數通過合成置換T組成。輪密鑰生成流程與上圖類似，輸入生成為加密密鑰，參數會存在一些差別，因為輪函數中的線性變換是不同的。算法流程如圖1所示。

我國專業密碼機構已經對SM4算法進行了全面測試和分析，并且可以抵抗線性攻擊、差分攻擊等其他現有攻擊，因此SM4算法是安全的。

4 系統架構

4.1 整體架構

我們的平臺實現了轄區內醫療機構信息管理系統、社康中心管理系統和區域人口健康信息平臺之間的數據實時采集、安全交互和智能結構化。通過搭建聯盟鏈，實現了轄區內公共健康領域信息的安全存儲及調用、使用權限管控和溯源、智能分析及輔助決策。平臺架構如圖2所示。

社區醫療區塊鏈管控平臺包括兩大系統：健康大數據智能分析系統和智能雙向轉診系統。健康大數據智能分析系統的功能包括：非結構化數據自動轉化、數據庫智能整合優化、區域健康情況智能分析、潛在風險智能預測和患者管理情況智能考核。智能雙向轉診系統功能包括三部分：患者轉診自動分揀、患者信息智能追蹤和區域上下轉診智能分配。社區醫療區塊鏈管控平臺的核心模塊及功能如圖3所示。

4.2 功能模塊

4.2.1 健康大數據智能分析系統

1）數據結構化模塊

健康大數據智能分析系統面向社區內醫療衛生機構，基于區塊鏈網絡對社區居民健康檔案平臺中患者的歷史醫藥數字化信息記錄和社區公共衛生機構的歷史醫藥數字化信息記錄進行傳輸、存儲管理。結合市慢病系統的下沉數據，社區人口健康信息平臺中各衛生機構數據進行數據整合，在平臺上實現編碼和數據格式的統一，有效支持機構間相同含義的不同格式的數據交換，并針對選定病種的數據形成需求模板，保證患者的診療信息在獲得權限的機構實現查閱和共享，實現數據的查漏補缺和質量優化，為數據共享和挖掘分析夯實了基礎。圖4是數據結構化流程。

2）區塊鏈數據管理服務

①上鏈的醫療信息由區塊鏈的特性保證信息不可篡改，即在某一醫療機構利用鏈上信息后可以完全實現醫療權責轉移，直接追蹤至某條鏈上信息的提供方進行追責;②該平臺中醫療衛生信息的使用權限和使用記錄能夠做到最大限度的透明與監督，同時所有的操作記錄對于其他平臺參與者平等公開。

3）數據深層次分析

實現管理平臺上不同時間周期監管報告的自動生成，提供通用和個性化定制模板（功能數據項自選）的統計表報，結合區人口健康信息平臺上其他人口學數據和醫療衛生數據更深入地進行宏觀和微觀的統計和分析，并結合患者管理中的過程數據針對責任衛生機構和責任醫師制定更科學的考核體系，更好地提高行政效能，完善行政決策。

4.2.2 智能轉診和隨訪系統模塊

對已經確診需求病種患者的信息進行網絡報告和隨訪管理，通過地區人口健康信息平臺實現與社康中心的對接，按居住地址歸屬實現對患者的智能分揀，完成對確診病例的數據推送和提醒，跟進追蹤轉診情況，獲取和監控社康中心的建檔信息及隨訪信息，及時更新人口健康檔案，為長期健康管理和干預計劃的制定打下基礎。

智能轉診系統將為轉診患者開通轉診專用渠道及服務。在平臺中提供不同醫療機構之間的患者住院轉診服務，包括轉診申請填寫、轉診申請審批、患者電子病歷數據查看、患者入院排隊、相關信息通知、記錄查詢等。同時在模式上打破現存雙向轉診模式中以高級別醫院為轉診時中心的模式，實現鏈上雙向去中心化轉診。依托區塊鏈數字化分級轉診系統，實施智能化和去中心化的轉診機制和轉診分配，并開通轉診的特殊通道、專屬通道和應急通道，構建多層級、分種群、強特色的分級診療模式。

5 系統測試

5.1 功能模塊

從圖6可以看出。

1）實現了醫療數據使用權限和使用記錄的透明化與可監督。

2）實現了不同時間周期監管報告的自動生成，提供了通用和個性化定制模板的統計表報。

3）實現了對已確診患者信息進行網絡報告和隨訪管理。

4）通過地區人口健康信息平臺實現了與社康中心的對接，按居住地址歸屬實現了對患者的智能分揀，完成了對確診病例的數據推送和提醒。

圖7是可視化智能合約界面。

1）是患者預約掛號界面。患者完善個人信息后，可以預約掛號，自主選擇科室、醫生、預約時間。

2）是醫生審核預約界面。醫生通過管理員分發的醫生賬號登入平臺后，在“待處理合約”可看到患者提交的預約。

3）是患者授權管理界面。患者可填寫授權碼，發送給預約的醫生，授權醫生權限。

4）是醫生完成授權界面。患者成功發送授權碼后，醫生方同步接收該授權碼，此時醫生方可查閱患者病歷。

5）醫生得到授權碼后，成功進入患者病歷窗口，可查閱患者以前的病例記錄。

6）醫生與患者根據預約的時間，進行線下就診，醫生再次進入患者病歷本中，創建新的病歷并保存。

7）醫生創建新病歷本并保存成功后，醫生在“已達成合約”中可以看到與患者合約的狀態是否成功。

8）患者與醫生完成線下就診，達成合約后，患者需再次登錄系統，撤銷原授權。

5.2 性能測試

我們通過工具Caliper來測試系統性能。Caliper是一個區塊鏈性能測試框架，用戶可以在定義好測試集的情況下針對自己的區塊鏈網絡進行性能測試，獲取一系列的測試結果并生成測試報告。

1）準備階段：根據區塊鏈配置文件生成創建并實例化一個區塊鏈，安裝智能合約并啟動監控器。

2）測試階段：master根據基準測試配置文件啟動循環測試。client會獲取測試任務開始執行測試，并存儲測試結果以備后續分析。

3）報告階段：每一輪測試結果會收集起來進行分析并自動生成HTML格式的測試報告。

測試的結果如圖8所示。通過圖可知，本次測試的交易成功率為100%，交易失敗率為0，發送速率為200tps，最大交易延遲為0.58s，最小交易延遲為0.00s，平均交易延遲為0.02s，吞吐量為200tps。

圖9是性能測試的火焰圖顯示。火焰圖主要看頂層哪個函數占據的寬度最大，只要有“平頂”，即表示該函數可能存在性能問題。圖中清晰展示了CPU的調用棧。y軸表示調用棧，每一層都是一個函數，都會標注函數名，鼠標懸浮時會顯示完整的函數名、抽樣抽中的次數、占據總抽樣次數的百分比。調用棧越深，火焰就越高，頂部就是正在執行的函數，下方都是它的父函數。x軸表示抽樣數，如果一個函數在x軸占據的寬度越寬，就表示它被抽到的次數多，即執行的時間長。

6 結果分析

6.1 性能測試分析

根據現有區塊鏈行業標準（如表3所示），本系統性能符合要求。

6.2 安全性分析

1）保密性

醫療數據在共享的過程中，接收者則是通過對稱密鑰或者公鑰對信息加密，然后把信息上鏈進行共享，所以唯有接收者具備相應私鑰才可以解密信息。所有的對稱密鑰都是不同的，一條醫療記錄僅一個對稱密鑰負責加密，從而醫療記錄保密性大大增強。對健康信息數據的傳輸，由接收者公鑰進行加密，以確保該信息只能由相應接收者才可以讀取。

2）匿名性

在共享醫療數據的過程中，患者隱私數據則是采用匿名的形式保護。患者使用社交群組的成員身份去共享醫療記錄。患者的真實身份只能由管理員、認證中心、本地的醫療云中的醫生才能獲知。某條醫療記錄只能通過認證中心與管理員來辨識患者真實身份。無法經過索引號來識別醫療記錄的所有權。由于在存儲索引的生成歷程中會添加隨機數，因此所有的醫療記錄索引都會不相同。另外，將與身份有關的信息存儲到健康數據卡之中，醫療數據通過硬件的方式保護，并且在未授權的情況下無法讀取智能卡中的信息。對健康信息數據的傳輸，類似于共享醫療記錄，患者在傳輸的過程中通過群組成員的ID來保護隱私。

3）認證性和與完整性

在診斷和治療后，醫生必須生成在診療記錄上的數字簽名。診療記錄與數字簽名由患者驗證和確認，進而生成雙重簽名。患者在數據傳輸之前，將對其他健康信息實行數字簽名。任何實體沒有得到簽名者私鑰，該實體數字簽名都無法偽造。簽名者之所以能驗證任何標有數字簽名的身份信息，是因為數字簽名唯有設定的簽名者來生成，即使篡改了某條醫療記錄，接收者可通過驗證發現。

4）訪問控制

通過權限管理，患者不僅能查看到自身醫療記錄，還可以與其他已授權過的實體進行共享醫療記錄。在使用醫療記錄之前，患者和醫生都需經進行身份驗證。對不同的實體訪問權都由患者的自定義密碼控制。未經過患者授權的任何實體，都無法訪問到患者醫療信息。

7 結束語

基于區塊鏈的醫療管控系統作為公共衛生領域創新的一體化綜合型區塊鏈數字化管理平臺，在聯合現有的公共衛生醫療信息化的資源基礎上，利用區塊鏈技術和國密算法技術來解決互聯互通標準化程度低，針對數據安全與隱私保護不到位、數據深度挖掘和分析不足等問題，緩解了各地區的信息化建設中“信息孤島”、分散建設、多頭管理、多頭采集、多系統并立等問題。同時，增加了智能化、個性化和數字化創新功能模塊，建立了一套有效的技術支持與服務體系，為廣大的用戶提供了高質量服務，增強了公共衛生及健康服務體系的信息化、數字化和智能化水平，強化了健康信息資源的存儲安全和使用效率。下一步工作：1）進一步完善區塊鏈醫療系統的功能，以滿足用戶不斷增長的需求;2）進一步提高醫療系統的可擴展性，以滿足未來需求。

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【通聯編輯：謝媛媛】