基于區塊鏈的醫聯體疾控信息共享系統設計

關鍵詞：區塊鏈；醫聯體；疾控信息；系統設計；安全共享；隱私保護

0 引言

2019年10月24日，中共中央總書記習近平在中央政治局第十八次集體學習時強調，區塊鏈技術的集成應用在新的技術革新和產業變革中起著重要作用，我們要把區塊鏈作為核心技術自主創新的重要突破口，明確主攻方向，加大投入力度，著力攻克一批關鍵核心技術，加快推動區塊鏈技術和產業創新發展。目前，我國醫聯體信息化建設模式主要有兩種：一種是政府主導的區域衛生健康信息平臺支撐醫聯體，另一種是以醫院為主導的信息平臺支撐醫聯體[1]。然而，這兩種模式普遍采用中心化系統架構，導致系統穩定性高度依賴于中心節點，同時在數據安全性與防篡改能力上存在一定的局限性。鑒于上述挑戰，區塊鏈技術以其去中心化、數據不可篡改及強隱私保護等特性，正逐漸成為醫聯體信息化建設的新探索方向。目前，基于區塊鏈的醫聯體電子處方流轉、患者健康檔案系統等研究已取得初步成果，展現了區塊鏈技術在提升醫療信息共享效率與安全性方面的巨大潛力。本研究旨在將區塊鏈技術的獨特優勢深度融入醫聯體內的疾控應用場景，通過構建基于區塊鏈的疾控信息共享平臺，實現對疾病防控數據的智慧化管理。

1 現狀與需求分析

1.1 現狀分析

近年來，隨著大數據、人工智能、云計算等新一代信息技術的廣泛應用，在疾控監測分析、病毒溯源、防控救治、資源調配等方面發揮了重要作用。同時，在推動疾控信息發布與共享的過程中，大多數醫聯體機構選擇構建中心化的系統平臺作為解決方案，這一模式在應對跨網絡、多機構協同、高并發訪問以及高度敏感的數據處理需求時，暴露出其在數據安全性、系統穩定性等方面的局限。具體而言，中心化平臺的核心問題在于其固有的單點故障風險。一旦中心節點遭受網絡攻擊、系統故障或意外中斷，整個系統會陷入癱瘓狀態。此外，隨著數據量和用戶訪問量的不斷增加，平臺的擴展性成為制約其發展的瓶頸，中心節點的處理能力難以滿足快速增長的需求，進而影響到系統的整體性能。安全性方面，中心化的數據存儲點一旦遭受入侵或泄露，將可能導致大規模敏感信息的曝光，如近年來發生的多起疾控中心及醫院數據泄露事件[2]，不僅侵犯了個人隱私，也對社會穩定和公共衛生安全構成了嚴重威脅。同時，醫聯體內各醫療機構的信息化建設程度存在差異，數據標準不同，以及患者醫療數據的隱私及安全問題，導致醫聯體內數據共享成為一大難題。

1.2 需求分析

針對上述存在的問題，在醫聯體各機構內構建一套完善的疾控信息共享系統，對于提升整體應急響應能力、加強隱私保護及降低系統故障風險尤為重要和緊迫。為此，將區塊鏈技術的分布式框架、高安全性等特性融入疾控信息發布與共享系統的設計中，成為一個具有前瞻性和可行性的解決方案。系統功能應包括用戶信息管理、區塊鏈平臺信息管理、疾控信息的采集存證、上鏈共享以及追溯查證監管等。系統應具備快速部署的能力，能夠在短時間內完成搭建工作，以適應突發公共衛生事件的應急需求。同時，系統應易于維護，降低運維成本，提高系統可用性。其次，系統應具備良好的擴展性，支持新增組織或機構靈活接入，隨著參與機構的增加，系統應能夠保持高效穩定的運行狀態。第三，系統應具備高安全性，疾控信息具有高度敏感性，系統需具有強大的數據保護及防篡改能力。第四，系統應具備高穩定性，系統的穩定可靠是疾控信息共享系統的前提和基礎。

2 系統架構及功能設計

2.1 區塊鏈平臺選型

區塊鏈技術是一種特殊的網絡分布式數據庫技術，具有去中心化、不可偽造、不可篡改、可驗證性、可追溯性、高隱私保護性、高可靠性等技術特點，其核心技術包括點對點傳輸、加密算法、共識機制、智能合約等[3]。區塊鏈根據記賬權限的歸屬可分為公有鏈、聯盟鏈和私有鏈三種。聯盟鏈相對于公有鏈增加了身份認證及權限管理技術，實現對區塊鏈管理和維護的功能，提高了系統的安全性；同時，聯盟鏈相對于私有鏈具有較高的開放性，可由多個互相已知身份的組織聯合構建[4]。Hyperledger Fabric 是聯盟鏈的典型代表，是一種開源的企業級區塊鏈框架，具有高度可擴展特性，可以根據業務需求進行模塊化定制及靈活配置，同時采用容錯設計確保了區塊鏈網絡的高度可靠性。相較于以太坊、比特幣等公有鏈，具有授權準入機制，擁有更高的安全性。EOS的DPoS共識機制雖然提高了性能，但導致網絡過于集中，違背了區塊鏈的去中心化原則。Hyperledger Fabric 更適用于構建醫聯體疾控信息共享系統的架構。系統的區塊鏈節點布局如圖1所示。

2.2 業務流程分析

根據實際業務需求，疾控信息發布與共享場景主要參與方包括社區采樣點、醫聯體內各醫療機構、衛生管理部門以及公共場所[5]，每個參與方與區塊鏈節點相對應。業務流程如圖2所示。

2.2.1 社區采樣節點

負責轄區內人員的采樣工作，收集包括人員身份信息（如姓名、身份證號、聯系方式等）和樣本條碼信息，將收集到的信息作為交易數據打包成區塊，提交到區塊鏈網絡中。這一步驟實現對采樣信息的上鏈存證，確保數據的不可篡改性和可追溯性。區塊鏈上新增相應的賬本記錄，并自動同步到網絡中的所有節點，確保所有參與方都能及時獲取到最新的采樣信息。

2.2.2 醫療機構節點

接收來自社區采樣點的檢驗樣本，進行實驗室檢測并記錄檢測結果。醫療機構通過輸入檢驗條碼在鏈上進行檢索查詢，找到對應的賬本記錄后進行檢驗結果的更新操作。更新后的檢驗結果再次上鏈存證，并同步到區塊鏈網絡中的其他節點，使得監管部門、公共場所等能夠及時獲取到最新的檢測結果。

2.2.3 衛生監管節點

負責監管整個檢測流程，包括采樣、運輸、檢測等環節，并進行數據分析。通過輸入人員身份信息在鏈上查詢相應的樣本記錄。查詢成功后，監管部門可以獲取到完整的樣本信息鏈，包括采樣時間、地點、檢測結果等。監管部門根據查詢結果進行數據分析，及時發現陽性病例，評估風險并制定相應的防控措施。同時，監管部門可以統計出檢測率等數據，為決策提供科學依據。

2.2.4 公共場所節點

為公共場所（如商場、學校、公共交通等）提供查詢服務，以便快速識別并限制高風險人員的流動。通過輸入人員身份信息在鏈上查詢樣本記錄，查詢成功后，公共場所可以獲取到該人員的最新檢測結果，并據此決定是否允許其進入或采取其他防控措施。公共場所通過區塊鏈技術實現對人員流動的有效管控，并降低傳播風險。

2.3 架構設計

本系統的整體架構是以Hyperledger Fabric 網絡架構為基礎進行設計，包括用戶交互層、應用服務層、接口封裝層、區塊鏈路層，整體架構如圖3所示。

2.3.1 用戶交互層

項目采用前后端分離的VUE+SpringBoot框架進行開發設計。這種架構模式能夠充分發揮VUE在前端界面交互、用戶體驗方面的優勢，同時利用Spring?Boot在快速搭建RESTful API、集成安全框架、數據庫訪問等方面的強項。VUE是一款輕量級、高效的前端框架，具有良好的擴展性和可維護性，可以幫助開發人員更快地構建出高質量的前端應用程序。用戶交互層提供用戶及權限管理、角色管理、組織及部門管理、疾控信息記錄新增、刪除、修改、查詢以及追溯等操作界面。

2.3.2 應用服務層

SpringBoot 是一個可以快速構建生產級別的Spring程序，框架具有簡化配置、快速開發、易于部署的優點，為系統提供后臺應用服務及數據操作維護功能。它接收并響應用戶交互層的消息請求，通過操作本地數據庫進行用戶、角色、部門等記錄的維護及權限校驗，同時通過調用接口封裝層的接口對區塊鏈進行相應操作，實現疾控信息記錄的鏈上查詢及維護。

2.3.3 接口封裝層

fabric-gateway-java 是Fabric 區塊鏈官方提供的用于區塊鏈網絡交互的Java SDK客戶端庫，簡化了Fabric網絡通信過程，使開發者可以更多關注于業務邏輯實現。通過對fabric-gateway-java 接口封裝，構建起獨立的對外提供服務的RESTful接口服務。該服務與區塊鏈上的智能合約交互，完成對鏈上數據的新增、刪除、修改、查詢及追溯操作。

2.3.4 區塊鏈路層

區塊鏈路層為平臺提供基礎服務、智能合約、安全體系和區塊鏈運維的支撐，包括成員服務、區塊鏈服務、鏈碼服務、網絡通信等。在區塊鏈鏈碼服務基礎上，進行智能合約開發，實現對底層賬本維護的具體業務邏輯[6]。智能合約的開發選用開源的Go語言，其語法簡單易讀，支持并發編程，適合高性能程序和分布式系統開發，廣泛應用于區塊鏈領域，如Cosmos和Hyperledger Fabric。

2.4 功能設計

基于對區塊鏈疾控信息共享系統的業務流程分析，系統功能主要從聯盟鏈管理、數據采集與維護、信息追溯和系統監管四個模塊進行設計[7]。系統功能如圖4所示。

2.4.1 聯盟鏈管理

人員信息管理：用于對鏈上各參與方（如社區采樣點、各醫療機構、監管部門等）的應用系統用戶進行身份認證和權限分配，只有鑒權通過的用戶才能通過前置機調用區塊鏈接口進行操作。實現用戶信息的注冊、修改、刪除功能，確保用戶信息的準確性和時效性。

院區信息管理：設計院區信息注冊模塊，允許醫聯體及各組織內部部門在鏈上進行登記，實現用戶分類授權功能，根據用戶所屬院區或部門分配相應的操作權限和訪問范圍。提供一個可視化的院區信息管理界面，方便管理人員進行信息的維護和查詢。

區塊鏈節點配置信息管理：區塊鏈節點配置是前置服務調用節點接口的關鍵信息，存儲在前置機的配置文件中。為了能夠便捷地查詢，開發對應的節點配置信息管理模塊。

2.4.2 數據采集與維護

受檢人員的基本信息：設計受檢人員信息錄入界面，包括姓名、性別、年齡、身份證號、現住址、聯系電話等必填項。實現信息的實時上傳和區塊鏈存證功能，確保受檢人員信息的不可篡改性和可追溯性。

標本信息：在采樣時打印唯一的樣本試管條碼，并通過掃描條碼實現受檢人與樣本信息的綁定。將樣本信息（如樣本ID、采樣時間、采樣地點等）與受檢人信息一同上鏈存證。

標本檢測信息：各醫療機構通過掃描樣本試管條碼在鏈上查詢對應的檢測記錄，并更新檢測結果（如陰性、陽性、待復查等）。實現檢測結果的實時上傳和區塊鏈存證功能，確保檢測信息的準確性和可靠性。

2.4.3 系統監管

陽性病例篩查：設計陽性病例篩查功能，允許衛生健康主管部門通過查詢鏈上數據與本地人員信息庫進行比對。一旦發現陽性病例，立即觸發警報機制，并通過鏈上獲取的受檢人員基本信息和聯系方式在第一時間定位患者。提供詳細的陽性病例處理流程指導，協助主管部門開展隔離措施和流行病學調查等處置工作。

2.4.4 信息追溯

利用區塊鏈技術的可追溯特性設計信息追溯功能。用戶（如監管部門、各醫療機構等）可以通過輸入人員身份信息或樣本條碼在鏈上查詢指定人員的采樣檢測歷史信息。提供詳細的追溯報告，包括采樣時間、檢測時間、檢測機構、檢測結果等關鍵信息，幫助用戶全面了解采樣檢測過程。

3 效果分析

3.1 穩定性高

本系統采用分布式存儲，與傳統的集中式存儲系統相比，消除了中心節點帶來的單點故障風險及中心節點效率瓶頸。通過接口封裝層將上鏈業務與節點內其他業務進行隔離，降低系統間的耦合性，進一步提升了系統的穩定性。同時，利用Postman接口測試工具對平臺循環連續發起10 000次查詢賬本記錄信息請求，總耗時140秒，平均響應時間14毫秒，測試通過率100%，平臺運行穩定。測試結果如圖5所示。

3.2 安全性高

本系統選用Hyperledger Fabric區塊鏈平臺，該平臺采用拜占庭容錯算法作為其共識機制，確保在有限的惡意節點存在下，區塊鏈系統能夠正常運作。為了提高數據安全性，在傳輸和存儲過程中利用非對稱加密RSA算法對數據進行加密處理，未經授權無法進行查看及修改。同時，修改后的記錄能夠通過查看溯源日志進行數據溯源[8]。

3.3 部署靈活

系統部署可分為安裝運行環境、安裝Fabric網絡組件、部署應用程序三部分。運行環境配置信息：Ubuntu 22.04.2，4核CPU，8G內存，使用Docker作為系統Fabric網絡的運行環境，安裝Docker 24.0.6。Fabric 網絡組件已被打包成可移植的鏡像發布到Docker倉庫中，通過拉取Docker鏡像倉庫中的鏡像完成peer、orderer、ca等組件的安裝，通過配置確定網絡中的節點種類及數量。應用程序包括智能合約程序、應用服務程序兩部分，部署前安裝Go 1.17.6、Java 1.8.0環境，然后打包應用程序為可執行的JAR包上傳服務器。鑒于疾控信息的敏感性，傳統信息發布及共享系統多在醫療專網中搭建以提高數據安全性，由此降低了系統部署的靈活性及效率。系統具有區塊鏈技術的高隱私保護性、高可靠性等技術特點，能夠在現有互聯網環境中進行快速部署。同時，基于Hyperledger Fab?ric平臺的高度模塊化和靈活配置架構以及可插拔的共識協議[9]，業務流程中涉及的各組織作為鏈上的每一個節點可靈活接入及退出。

4 結論

本系統以疾控信息共享為切入點，通過區塊鏈技術在醫聯體內疾控信息共享場景中的創新應用，有效提升疾控信息共享的及時性、安全性和疾控協同的便捷性，為醫聯體內數據互通共享提供了基于區塊鏈技術的解決方案。

本系統在區塊鏈的網絡存儲優化和個人隱私數據保護方面尚存在局限性。在后續研究中需要進一步完善和提升，通過將區塊鏈技術植入到更多的醫聯體信息協同場景中，構建“區塊鏈+檢驗檢查結果互認共享”“ 區塊鏈+醫療主數據字典共享”等更加豐富的“區塊鏈+醫聯體”新模態。