一種基于區塊鏈技術的醫療眾籌系統

檀鐘盛

（福建工程學院 互聯網經貿學院，福建 福州 350108）

0 引言

近年來，區塊鏈技術在非金融領域的應用日漸增加，如域名服務（DNS）、人工智能、醫療衛生、物聯網、競買合約等［1］。尤其在醫療領域，隨著區塊鏈技術的發展，其不斷衍生出各類應用。醫療眾籌領域也不例外，由于我國尚無法實現大規模的全民醫療保障，醫療的高昂費用往往導致患者家庭因病致貧和無錢治療現象，因此大量醫療眾籌項目應運而生。然而，目前醫療眾籌存在以下問題：

（1）資金流動不明。在現行籌款體系下，由于人力和物力等一系列因素，很難對資金流向進行公開，捐助人往往自己都不清楚捐款動向，這導致捐款者對醫療眾籌項目信心不足，降低了醫療眾籌機構的公信力，削弱了民間資本進入眾籌機構的熱情。

（2）對用戶隱私保護不足。隨著互聯網的興起，越來越多的用戶信息顯示在互聯網上，眾籌機構將用戶隱私泄露給第三方的問題也時有發生，這給一些不法分子可乘之機。例如，2022 年2 月北美眾籌機構GiveSendGo 就遭遇了黑客攻擊，致使9萬多人隱私泄露。

（3）籌款退回難。當前，眾籌體系中后續退款非常困難，許多病患在疾病不治或治愈后，大量善款占為己有拒不歸還，這嚴重影響了民眾參與醫療眾籌的積極性。

針對上述痛點，本文將區塊鏈和非對稱加密相結合，提出基于以太坊智能合約的醫療眾籌方案。該方案可有效解決用戶隱私泄露、資金挪用、善后籌款等醫療眾籌問題。

1 相關工作

1.1 以太坊

2009 年，隨著比特幣的推出，區塊鏈應運而生。區塊鏈由數據層、網絡層、共識層、合約層、激勵層和應用層組成，具體如圖1 所示。區塊鏈具有去中心化、時序數據、集體維護、可編程和安全可信等特點［2］。比特幣為區塊鏈1.0 版本，比特幣是專門為數字貨幣而生，某些程度上限制了其發展［3］。隨著區塊鏈技術的不斷發展，迎來了區塊鏈2.0 版本，該版本增加了智能合約這一重要項。目前，以太坊是極具代表性的智能合約開發平臺之一，它使用以太虛擬機（Ethereum Virtual Machine）處理智能合約。具體而言，以太坊是基于一套圖靈完備的腳本語言加以實現，開發者可以通過以太坊官方推薦語言Solidity 創建應用。

Fig.1 Blockchain structure圖1 區塊鏈結構

1.2 智能合約

智能合約這個概念最早由美國計算機科學家尼克·薩博（Nick Szabo）提出，智能合約是一種用算法和程序編制合同條款、部署在區塊鏈上且可按照規則自動執行的數字化協議［4］。智能合約一旦部署就會嚴格按照合約內容進行自我執行和自我驗證，執行過程中無法被人為干預，確保了智能合約的權威性。

與傳統合約相似，智能合約周期包括合約生成、合約發布、合約執行3個方面，如圖2所示。

Fig.2 Smart contract lifecycle圖2 智能合約生命周期

合約生成，主要包含合約參與者協商、制定合約規范、進行合約驗證、獲得合約代碼4 個環節［5］。具體實現過程為：合約參與方進行協商，確認各方責任，經驗證后獲得標準合約代碼。其中，合約規范和合約驗證尤其重要，合約編寫不規范則會發生安全問題［6］，例如2016 年以太坊The Dao 事件。合約發布與交易發布相似，簽名后的合約通過P2P 發送到每個節點，每個節點會通過共識協議確認合約，最終所有節點會對發布的合約達成共識，并將合約寫入區塊鏈中，合約執行過程完全由區塊鏈內置的智能合約自動處理，公開透明、不可篡改。

智能合約與區塊鏈的結合使區塊鏈的應用場景得到極大擴展，并引起多方關注。總體而言，智能合約具有以下優點：①準確性：智能合約一旦部署，其內容與執行過程無法被外界因素干預，保證了智能合約的準確性；②高效性：智能合約是一種按照規則執行的數字協議，具備自我執行和自我驗證功能，這極大降低了合約執行中的成本，提高了合約執行效率；③實時性：智能合約調用期間無需第三方參與，任何節點都可以調用智能合約。

1.3 相關研究

為了保證資金去向明朗、用戶隱私不被泄露、資金不被挪用問題，非對稱加密和區塊鏈成為醫療眾籌方案中不可忽視的重要環節。區塊鏈作為一項新興技術應用于多個不同的場景，例如人工智能［7］、金融［8］、醫療［9］、能源［10］等領域。

張巧良等［11］對英國Medicalchain 公司的眾籌案例做了詳細分析，總結其成功融資的因素之一在于項目基于區塊鏈技術的必要性，但項目的財務信息卻存在披露不足的問題。Zhang 等［12］指出在醫療眾籌領域，許多人對參與眾籌信心有限，因為他們害怕詐騙或不知道誰的需求更為迫切，這些信任問題導致許多醫療眾籌項目資金不足。蘇敏等［13］指出國內眾籌平臺法律法規尚不完善，需要眾籌平臺與醫院合作。上述研究指出了當前醫療眾籌項目的主要問題，但并未給出具體方案。鑒于此，本文根據上述問題，將相關工作的重點轉向區塊鏈方面。

李琪等［14］等將布比公司開發的區塊鏈作為底層技術，規定了眾籌發起者只能在特定場所使用善款，在一定程度上限制了善款被濫用，但是對善款挪用等問題還是沒有好的解決措施。陳志東等［15］提出眾籌業務在私有鏈（Crowdfunding Private Block Chain，CPBC）上的架構應用，極大加強了金融數據方面的安全和公信力。Nor 等［16］提出基于以太坊平臺的災區眾籌系統，將區塊鏈技術應用于災情捐款，在災難期間為受害者籌集資金和管理援助救濟，解決了災區的捐款問題。付利青等［17］利用區塊鏈技術提出一個隱私性的以太幣投票協議，解決了資金流向黑洞的問題。拜亞萌等［18］提出將區塊鏈技術應用于電子健康記錄，加強了電子健康記錄的安全共享。Jayasinghe 等［19］提出將比特幣與慈善系統相結合，建立以區塊鏈為核心的慈善系統。譚文安等［20］提出一種區塊鏈的醫療捐款方案，解決了資金動向不明朗這一問題，方法具有普適性，但是沒有解決被捐助人的隱私保護問題。上述研究給眾籌系統實現帶來了啟示，但沒有解決醫療眾籌方面的用戶隱私保護和籌款濫用等問題。

基于此，本文提出并實現一個基于區塊鏈的醫療眾籌系統，既保證籌款信息真實可靠，杜絕籌款濫用和籌款挪用，又滿足用戶隱私不被泄露、合約終止時籌款退回的需求。

2 系統架構模型

2.1 業務流程

為了防止醫療眾籌資金挪用和資金動向不明問題，本文引入區塊鏈技術搭建醫療眾籌系統。系統功能包括籌款申請、捐款操作、申請支付、籌款退回等操作，具體流程如圖3 所示。系統還設置了支付申請機制，同時利用智能合約設置了指定醫院地址并完成自動轉賬，避免了資金挪用問題。

眾籌發起者填寫必填信息生成合約，系統使用平臺官方的公鑰對用戶隱私信息加密，并將生成的密文上傳以太坊節點，平臺工作人員從節點上獲取用戶上傳的眾籌信息，對其中加密部分使用平臺官方的私鑰進行解密從而得到明文。平臺官方確認眾籌真實無誤后，將合約審核通過，確保之后該眾籌合約可以進行籌款。眾籌參與者可以支付合約規定的眾籌金額參與眾籌，眾籌金額達到發起者設定的目標金額后合約將會宣布眾籌成功。為了防止資金挪用，系統設置了申請支付功能，當發起者需要購買物品時需要先發起投票，然后等待參與者投票，參與者查看申請要求覺得合理便可投贊同票，贊同票過半則發起者可支付交易，其中轉賬地址必須為指定的醫院地址，若填寫地址和指定醫院地址不同，則轉賬失敗，確保籌款無法被挪用。若病人病愈則眾籌參與者可拿回剩余籌款。

Fig.3 System business flow chart圖3 系統業務流程圖

2.2 系統設計

系統可分為3部分：Web 前端、智能合約、以太坊模塊。系統具體架構如圖4所示。

Fig.4 System architecture design圖4 系統架構設計

Web 前端使用react 框架，Web 前端模塊為用戶提供了良好的可視化交互界面。通過與前端頁面交互提交各類請求數據，通過智能合約提供的接口將數據提交到以太坊節點上。

中間部分為智能合約，本文智能合約使用Solidity 語言開發。智能合約為眾籌參與、支付申請、投票支付申請等函數提供了一個交互的接口，通過智能合約將數據存儲到以太坊區塊上，當進行眾籌參與時會自動調用智能合約上的眾籌參與函數完成交易操作。病人治愈后，當眾籌參與者進行籌款退回時會自動調用智能合約上的籌款退回函數完成交易操作。

以太坊模塊作為底層支撐提供了數據存儲功能，負責存儲智能合約代碼和執行智能合約，對前端傳來的請求通過執行智能合約中對應的算法生成結果，結果通過PoW（Proof of Work 工作量證明機制）共識協議寫入以太坊賬本中。

3 模塊功能與合約設計

3.1 前端設計

MetaMask 錢包是一個輕量級錢包，支持大多數以太坊網絡，可以保管用戶的私鑰、交易記錄、地址等。區塊鏈錢包分為全節點錢包與輕節點錢包。全節點是完整擁有區塊鏈上所有數據的節點，使用全節點錢包需要下載區塊鏈上所有的數據以便與區塊鏈上別的節點同步，對硬盤容量要求大，下載數據也比較費時。輕節點錢包依賴區塊鏈上的其他全節點，只需要同步自身數據，不用下載龐大的區塊鏈數據，使用戶可以十分方便地管理自身數據。

3.2 智能合約模塊

醫療眾籌系統利用區塊鏈技術完整地記錄眾籌發起人、眾籌參與人、目標金額、眾籌參與金額等信息。通過區塊鏈數據追溯性和不可篡改性，從而構建可信第三方，同時為監管機構和司法仲裁機構監管提供有效的數據支持，有助于解決涉及醫療眾籌的真實性等糾紛。眾籌合約發起前必須向眾籌平臺進行身份確認和病情確認，確認無誤后審核方可通過，合約發起后任何人都可投注支持金額加入眾籌合約。醫療眾籌系統具有申請付款、同意付款和完成付款等功能。智能合約字段如表1所示。

Table 1 Crowdfunding contract fields表1 眾籌合約字段

3.2.1 眾籌申請

眾籌申請為該系統中非常重要的的功能之一，眾籌發起者首先使用平臺公鑰對其隱私信息進行加密，并將信息上傳以太坊，之后眾籌平臺工作人員從以太坊節點上獲取眾籌發起者上傳的信息，使用平臺私鑰對加密部分進行解密。工作人員對眾籌合約真實性確認無誤之后將合約審核通過，合約審核通過后，任何人都可以參與醫療眾籌。

算法1眾籌申請算法

3.2.2 眾籌參與

合約發起后，任何愛心眾籌人都可參與眾籌，眾籌參與人投注合約的固定支持金額就可加入該合約。眾籌參與人投注的合約、審核狀態通過、眾籌未完成，如果上述條件全部通過則跳出合約支付界面用于支付眾籌金額，支付成功則表明加入該合約。

算法2眾籌參與算法

4 實驗分析

4.1 測試環境

在Window10 操作系統下實現醫療眾籌系統，實現眾籌系統必須安裝 Node.js，Truffle 框架、MeatMask 錢包、Ganache-cii、web3.js、remix（智能合約網頁編譯器）。智能合約首先在remix 上測試功能，之后使用ganache 在本地測試智能合約。在本地測試完畢后部署到以太坊rinkeby 網絡上。

曾先生16日介紹稱，他與父母在當地時間1日晚近12點的時候從挪威首都奧斯陸乘火車抵達斯德哥爾摩，并前往距離斯德哥爾摩中心火車站不遠、提前在網上預訂的“斯德哥爾摩發電機（GeneratorStockholm）”旅店。

4.2 測試結果

針對該系統的眾籌申請、眾籌參與、退錢等重要功能進行一系列測試。眾籌申請和眾籌參與退錢等會對以太坊節點數據有修改的操作都會通過MeatMask 被打包寫入以太坊節點中。眾籌籌款展示、眾籌信息查詢這些不會對以太坊節點有修改的數據則不用被打包寫入以太坊節點中。

以太坊節點在以太坊虛擬機中運行交易觸發代碼，以太坊中發送、存儲、執行計算等一系列改變區塊狀況的操作都需要消耗gas（EVM 中每步操作都會消耗一個固定的消耗值）。gas price 是單個gas 的價格，實際操作中交易成本為gas × gas price。

該系統中，智能合約部署在以太坊rinkeby 網絡中，部署合約的賬戶地址為 0xC2FC51c9eD99905bCBDcB1d5fe9296E6E5977510，智能合約的部署地址為0xe6016458c06036c0e335ac3d52d0b8d4714e69a6。利用智能合約分析各函數消耗的花費。眾籌發起者發起constructor 需要花費0.0050030284ETH（以太幣），眾籌參與者發起support 需要花費0.0002420076ETH，平臺人員審核通過眾籌合約需要花費0.000109710ETH，眾籌發起者發起支付請求需要花費0.000325312ETH，眾籌參與者對支付請求進行投票需要0.000178620ETH，眾籌參與者拿回籌款需要花費0.00013872ETH。智能合約具體花費如表2 所示。表2數據證明方案所消耗的成本是可接受的。

Table 2 Smart contract spending test表2 智能合約花費測試

4.3 與傳統平臺比較分析

與傳統眾籌平臺相比，該系統有較大優勢，主要分析如下：

（1）眾籌善款不能被挪用。智能合約規定了投票機制，任何支付申請都需要通過參與者的贊同投票，嚴格控制了資金使用，同時又對轉賬地址做了嚴格控制，資金只能轉向指定醫院，若轉賬地址和指定醫院地址不符合，則無法支付，有效規避了資金挪用的風險。

（2）善款流向透明。系統將眾籌申請、眾籌參與等交易信息全部寫入以太坊節點中，每個以太坊節點都完整保存了每筆交易的交易信息，任何人都可通過以太坊平臺查詢眾籌合約細節及眾籌善款流向。

（3）確保籌款真實性。該系統采用人工審核方式，眾籌發起人填寫信息發起合約后需要與眾籌平臺進行聯系，當眾籌平臺工作人員對眾籌發起人提交的信息核實確認無誤后則將合約審核通過，有效確保了眾籌的真實性。

（4）籌款可退還。對于傳統眾籌平臺，當眾籌完成之后，病人治愈后也不會退回剩余籌款。本文設計籌款退回算法，病人治愈眾籌參與者則可領會剩余籌款。由于智能合約上鏈無法被修改，因而剩余籌款一定會退還到眾籌參與者手中，有效增強了眾籌參與者對眾籌系統的信心。

（5）用戶隱私得到保護。近來年，隱私泄露問題屢見不鮮，本文將非對稱加密運用于醫療眾籌中。眾籌發起者的隱私信息通過平臺的公鑰進行加密，并上傳以太坊節點，此時即便信息被攔截，沒有對應的私鑰仍然無法解開，有效保護了用戶隱私安全。

5 結語

傳統的眾籌平臺存在諸多問題，眾籌參與者普遍懷疑眾籌真實性。本文探究如何將區塊鏈用于醫療眾籌，提出了一種新的方案，通過智能合約對資金挪用、資金去向不明、籌款退款難等問題進行處理，有效防范了上述風險，解決了傳統眾籌平臺公信力問題。

下一步研究中，將重點考慮以下幾點：①目前Pow 共識算法對平臺效率有一定影響，考慮是否換成Pos 或者別的共識協議；②該系統在眾籌申請時需要眾籌發起者與眾籌平臺工作人員核實信息，是否可以通過智能合約考慮去掉第三方，真正實現眾籌發起者和眾籌參與者點對點交互；③該系統為了保護用戶隱私，對用戶隱私信息進行加密，但同時也讓合約真實性受到一定質疑，下一步應該考慮是否按文獻［9］所述將眾籌系統與醫院相結合，由醫院擔保眾籌真實性，從而提高合約真實性；④由于數字貨幣在當下政策環境中可行性存疑，是否考慮用數字人民幣與智能合約相結合，實現基于數字人民幣的醫療眾籌系統。