基于區塊鏈技術的電子醫療病歷系統設計

摘 要：針對傳統電子病歷的數據安全和共享問題，基于區塊鏈技術構建了電子病歷系統，系統采用B/S架構，前端采用Vue+Element-UI，后端采用Spring Boot和Spring Security。通過MySQL數據庫持久化，Hperledger Fabric確保數據可信。將患者信息和病歷上傳至區塊鏈，利用區塊鏈技術的安全機制降低數據泄露風險，解決信任問題，提供更安全的醫患互動。融合傳統電子病歷與跨機構就醫，為每位患者創造個人終身病歷存儲，推進終身醫療體制的發展。

關鍵詞：數據共享；區塊鏈技術；電子病歷；數據安全；B/S架構

中圖分類號：TP311.1 文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2024）08-0064-05

DOI：10.19850/j.cnki.2096-4706.2024.08.015

收稿日期：2023-08-09

基金項目：2022年國家級大學生創新創業訓練計劃項目（202210595081X）

0 引 言

隨著時代和社會的發展、經濟水平不斷提高，人們的生活質量也得到了不斷提高，人們在醫療健康服務方面也逐步轉向更高層次的追求，進而醫療資源服務方面的需求也在不斷地增長，但是我國目前醫療資源總體來說還是相對匱乏，并且各地區的分布也并不平衡。患者在異地或本地的不同醫療機構進行問診的情況是比較常見的，但是由于各個醫療機構系統異構，造成了“數據孤島”現象。而且傳統的醫學數據管理存在諸多問題，包括數據安全性、完整性、可追溯性和隱私保護等方面的挑戰。與傳統的中心化數據管理系統相比，區塊鏈技術具有分布式、去中心化和可追溯的特點，為醫學數據管理帶來了全新的解決方案。

本文提出了基于Fabric的區塊鏈技術，整體設計為個人患者端、機構管理端“雙端”的系統平臺。為患者和醫院提供了更為方便的醫療服務。患者可以在任何時間、任何地點使用患者端，輕松地預約醫生、查看自己的病歷，既能保障好患者的個人隱私、數據的客觀性，又給予問診醫生在看病范圍內的足夠權限，這更好的打破了“數據孤島”的壁壘，符合區塊鏈技術要求的流程及策略，架構起服務區塊鏈電子病歷的網絡，使用B/S技術來實現電子病歷共享溯源平臺。

1 區塊鏈技術特點介紹

區塊鏈是一種去中心化的分布式賬本技術，通過加密算法、分布式共識機制和智能合約等技術手段，確保數據的安全性和可信度。本質上是一種對等網絡中對存儲數據進行協同維護且不能被篡改的分布式數據庫。在結構上區塊鏈由一個個數據塊組成，每個數據塊包含一定數量的交易記錄，并通過Hash函數和前后區塊的引用構建起塊與塊之間的鏈接。這種鏈式結構使得區塊鏈中的數據具有不可篡改的特性，具有去中心化、可追溯性、安全性等特征。

1.1 去中心化

傳統醫療數據存儲技術和區塊鏈相比，最大的優化之一就是去中心化。傳統的數據存儲技術，通常是在網絡中以一個固定的節點作為主節點進行數據持久化的功能，即所有的數據都要存儲到主節點中。這樣做對于數據的安全是很危險的，當出現服務器過載或者單點故障時，整個系統的可用性和穩定性都會受到影響。數據的丟失或不可訪問可能導致重大損失和服務中斷。而區塊鏈技術則在根本上就解決了這個問題，它不依賴于任何一個單節點，數據由分布在網絡中的多個節點共同維護和驗證，不存在單一中心機構的控制，不會受到單點故障的影響。

1.2 安全性

區塊鏈技術本身的安全機制是其核心特性所決定的，這也是相比于傳統技術來說最大的一個不同點。傳統技術一般是基于關系型數據庫，這使得數據庫容易受到攻擊或未經授權的訪問。區塊鏈采用加密算法對數據進行加密存儲，保護數據的安全性。同時，由于區塊鏈中的數據是分布式存儲的，攻擊者要篡改數據需要同時攻擊多個節點，增加了攻擊的難度。

1.3 共享性

區塊鏈技術提供了共享性，這是它最有特色的亮點，這也是它最具有特色的一個創新點。傳統的醫療病歷數據庫通常是基于關系型數據庫管理系統構建的，而傳統數據庫的中心化存儲和管理方式，而這種單節點只能在同一個機構進行管理，這會導致醫療病歷數據只能在一個機構使用。而區塊鏈存儲方式從根本上就解決了這種問題，由于區塊鏈是分布式結構，同一聯盟鏈上的區塊鏈從屬于不同的醫療機構，數據在不同的區塊鏈之間相互同步且同一聯盟鏈上的區塊鏈是公開透明的，任何聯盟鏈上的區塊鏈都可以查看和驗證其中的交易和數據。這些區塊鏈節點都存儲了完整的數據備份，并對區塊的數據驗證和記錄。保證了數據的可靠性與權威性的同時還能讓數據進行共享。

2 區塊鏈技術在電子病歷中的應用

2.1 數據隱私安全保護

醫療機構中的數據安全系數要求很高，患者的歷史數據更是需要重點保護。電子病歷平臺旨在于各大醫院系統中實現患者信息的共享，從而方便就醫和診斷，數據要求安全存儲在物理設備中。傳統的數據存儲和傳輸方式容易受到黑客攻擊、數據篡改等威脅。區塊鏈技術將數據記錄在分布式網絡中的多個節點上，每個節點都可以驗證數據的真實性，確保數據不被篡改。攻擊者通過竊取憑據、繞過訪問控制或利用安全漏洞能夠獲得數據庫的訪問權限，他們可能修改、刪除或偽造數據庫中的病歷數據，而很難被管理者發現。但區塊鏈技術可以很好地解決，結構上區塊鏈由一個個數據塊組成，每個數據塊都存有上一區塊的Hash值，通過Hash值構建起區塊與區塊之間的鏈接。區塊與區塊之間是相互驗證的，數據發生改變Hash值就發生改變。若修改了鏈上其中一個區塊的數據，將需要整條鏈上的區塊記錄，這給非法偽造數據和非法獲取數據制造了很大的難度，使得數據幾乎是不可能被偽造和非法獲取，保證了病歷的安全可靠性。

基于Hperledger Fabric框架搭建的區塊鏈平臺可以通過其去中心化、分布式存儲和多種密碼學算法實現更可靠的數據隱私保護。保證了患者數據信息在各個階段的安全性，從而可以避免信息泄露帶來的診治出錯或者患者個人受到不必要的麻煩。只有獲得唯一授權，才能解密這些信息。該機制可以確保患者的醫療數據和個人信息的安全性和隱私性，同時確保第三方無法在獲取到區塊中的信息，有效做到了數據安全保護和數據隔離。

2.2 數據無法篡改

患者醫療數據是治療過程中的重要記錄，在未來的就醫中提供重要的參考信息，數據的不可篡改非常重要。得益于共識拜占庭算法（PBFT），在鏈中的數據只能增加且不可修改，也不支持事務的回滾。存儲病歷數據時，上鏈數據需要經過各個節點達成共識后能成功記錄。在通過多輪投票和多數派原則后，大多數節點達成共識的情況下，才會執行操作并返回結果。本平臺使用的共識機制結合SM3密碼雜湊算法的安全保護機制可以更好地保護數據。該技術通過將數據分割成多個碎片，并將這些碎片存儲在不同的節點上，從而防止黑客入侵或數據泄露。同時為用戶提供更靈活、更可靠的身份驗證和授權機制，以確保使用者使用DNA身份驗證才可獲取信息。這樣保證了鏈上患者醫療數據的真實和準確性，有效地防止了惡意節點的攻擊和數據篡改。

2.3 數據可溯源性

在患者未來就醫時，過往的醫療數據具有重大的參考價值，或是在發生醫療糾紛時可以提供有效的證據，需要避免傳統溯源中推卸責任、篡改病歷、私鉆空子和信息遺失的情況。區塊鏈中的每個數據塊都包含了前一個塊的哈希值，形成了一個不可更改的鏈條。這種鏈式結構使得數據的變更可以被追溯，增加了數據的可信度和可追溯性。數據記錄在分布式網絡中的多個節點上，每個節點都會驗證新的區塊，并通過共識算法來決定是否接受該區塊。只有經過驗證的區塊才能添加到區塊鏈中，同時會記錄加密算法生成的唯一哈希，一旦發生修改唯一哈希也會改變，節點間使用Gossip協議來廣播和狀態同步。遍歷區塊鏈，可以追蹤每個數據記錄的來源和修改歷史。每個區塊都包含了前一個區塊的哈希值，因此可以通過逐個驗證區塊的哈希值來確保數據的完整性和一致性。這種機制可以追蹤每個數據記錄的來源和歷史變化，基于其分布式、不可篡改和透明的特性，確保數據的真實和完整。

2.4 數據的訪問控制

患者病歷數據在醫療機構數據中心中實現共享，但并非機構中任何人都可以進行訪問的，采用患者身份認證來進行授權訪問數據。當醫生需要訪問患者醫療數據時，需要患者提供身份標識認證（DNA身份證），通過需要區塊網絡中的節點驗證，使用公鑰驗證身份，驗證通過才會獲得數據的訪問權限。本平臺使用可靠的Attribute-Based Access Control（ABAC）控制模型，以患者唯一標識信息（DNA身份證）為控制屬性，確保只有授權用戶能夠訪問數據，并記錄所有訪問記錄以便審計。客戶端和節點之間的通信使用TLS協議驗證兩端之間的通信。確保需要患者的實時參與驗證才可獲取訪問權。

3 區塊鏈電子病歷平臺的搭建

3.1 區塊鏈的構建

區塊鏈主要有公有鏈、私有鏈和聯盟鏈三種形式。考慮到電子病歷平臺需要多個組織或個人組成，共同維護區塊鏈網絡，對于病歷信息的安全性、可信度要求高。考慮到聯盟鏈的高效性、可定制性以及在隱私保護和共享資源中的優異表現，選擇聯盟鏈。基于Hperledger Fabric框架搭建區塊鏈。網絡拓撲初始設計四個節點（也就是四所醫療機構）。鏈只對初始的四所機構開放，區塊生成和后續加入的新醫療機構都需要這些節點的共同決定，每個節點都有總賬本的副本，共同維護總賬本的一致性。動態同步區塊數據功能主要基于智能合約和鏈上節點間的共識來完成，以實現區塊鏈的擴展和數據同步。鏈中的節點之間可以共享資源，參與者也可以根據自身機構的特點來進行個性定制。

3.2 系統設計與應用

3.2.1 系統分為患者端和機構端

患者端：患者可通過管理模塊查看到從機構端錄入的信息，針對部分使用電子產品不便的患者，可綁定親屬信息，幫助查看醫療數據，用戶可通過親屬信息管理模塊查看已綁定的親屬信息。親屬也可通過與當前賬號用戶所建立的綁定關系，可通過當前賬戶去查看親屬的病歷信息，患者端功能設計如圖1所示。

機構端：機構端需要劃分角色，其權限也有所區別。需要機構管理員、科室主任和機構醫生，以便將更多的管理功能下發至每個機構。機構醫生是與患者端交互的直接角色，在認證后，可以對患者進行新的病歷數據寫入和修改，機構端功能設計如圖2所示。

基于區塊鏈的電子病歷系統架構設計上采用目前開發中主流的前后端分離架構。前端使用Vue+Element-UI+Axios架構，后端采用SpringBoot+MySQL+Redis，數據持久層使用MyBatisPlus框架，系統的技術架構如圖3所示。

前端為視圖層，包括用戶界面、顯示效果、頁面交互邏輯等，負責用戶與系統之間的交互。后端應用的業務功能可以劃分為數據層、數據訪問層、業務邏輯層和控制層。數據層主要負責數據的持久化存儲。數據訪問層則負責操作數據庫，提供接口供業務邏輯層調用。業務邏輯層則是處理業務相關的邏輯和計算，同時調用數據訪問層的接口進行數據讀寫。控制層則負責處理前端頁面的請求，并將請求轉發給相應的業務邏輯層進行處理，同時也負責將處理結果返回給前端頁面。用戶身份識別、授權認證上使用Spring Security + JWT來實現，業務架構如圖4所示。

通過將電子病歷數據存儲于區塊鏈中，醫生可以將患者的診療信息錄入數據庫，并通過醫生的身份標識認證驗證身份后登錄進入區塊鏈聯盟鏈。借助SM3加密算法，醫生可以將患者的相關信息寫入區塊鏈，同時為患者生成唯一的用戶身份標識符（DNA身份證）。患者唯一標識信息（DNA身份證）為控制屬性，確保只有患者自己或授權用戶能夠訪問數據。當患者需要到其他醫療機構治療時，只有通過授權才將電子醫療數據的查詢權限交出來，整個過程的數據流圖如圖5所示。

3.2.2 就醫模塊功能實現

就醫申請模塊功能為模擬患者就醫的前期掛號活動，本系統在此簡化了操作流程。患者在此可先查看注冊機構，并可通過機構名、機構類型、機構地址進行篩選查看。選擇一個機構可查看醫生信息。病歷查看模塊如圖6所示，其中信息包括科室信息、醫生信息等，患者可通過科室名進行科室醫生篩選。點擊就醫申請之后就可生成一條就醫記錄。以上為整個就醫模塊所實現的功能。

就診模塊支持查看當前需接診的患者信息，查看病歷需要先填寫患者授權碼，經服務器后臺校驗之后會跳轉至患者病歷管理模塊。患者病歷管理模塊在本章節患者端已介紹，在此不展開說明。病歷上鏈為在填寫病歷之后科室主任角色擁有病歷上鏈權利。就醫患者模塊如圖7所示。

4 結 論

盡管區塊鏈技術在醫學領域的應用面臨一些挑戰，其仍然具有廣闊的未來前景。隨著區塊鏈技術的不斷發展和成熟，其可擴展性和性能將得到進一步提升。新的區塊鏈架構和共識機制的出現將促使區塊鏈系統處理更大規模的數據和更高的交易速度，從而為醫學領域的應用提供更好的支持。此外，零知識證明、多方計算和加密算法等技術的應用可以在保護數據隱私的同時實現高效的數據共享和利用。

參考文獻：

[1] 王媛，彭愛群.區塊鏈助力醫療病歷數據流通及治理變革探析 [J].通化師范學院學報，2022，43（1）：50-54.

[2] 劉芬，朱壯友，許勇.基于區塊鏈的電子病歷共享數據模型研究 [J].安徽師范大學學報：自然科學版，2021，44（6）：536-544.

[3] 李亞輝.基于區塊鏈的電子病歷共享系統的設計與實現 [D].杭州：浙江大學，2021.

[4] 張圣垚.基于區塊鏈的電子病歷系統的設計與實現 [D].哈爾濱：哈爾濱工業大學，2018.

[5] 孫翔.基于區塊鏈的醫療數據存儲與共享方案研究 [D].南京：南京郵電大學，2021.

[6] 靳碧媛.基于區塊鏈的醫聯體電子病歷安全共享研究 [D].北京：北京交通大學，2022.

[7] 穆康松.基于區塊鏈電子病歷共享系統的設計與實現 [D].佛山：佛山科學技術學院，2021.

[8] 朱西平，賴宇，龍文濤，等.基于區塊鏈的電子病歷共享與可驗證方案 [J].科學技術與工程，2023，23（14）：6113-6122.

[9] 戴佳偉.基于區塊鏈的電子病歷隱私保護共享系統的研究與實現 [D].綿陽：西南科技大學，2022.

[10] 張磊，鄭志勇，袁勇.基于區塊鏈的電子醫療病歷可控共享模型 [J].自動化學報，2021，47（9）：2143-2153.

作者簡介：李松澤（2001—），男，漢族，廣西羅城人，本科在讀，研究方向：軟件開發、區塊鏈技術；陳樂（2002—），男，漢族，廣西玉林人，本科在讀，研究方向：軟件開發。

Design of an Electronic Medical Record System Based on Blockchain Technology

LI Songze， CHEN Le

（School of Computer Science and Information Security， Guilin University of Electronic Technology， Guilin 541004， China）

Abstract： In response to the data security and sharing issues of traditional electronic medical records， an electronic medical record system is constructed based on blockchain technology. The system adopts a B/S architecture， with Vue+Element UI as the front-end and Spring Boot and Spring Security as the back-end. Through MySQL database persistence， Hperledger Fabric ensures data trustworthiness. It uploads patient information and medical records to blockchain， utilizes the security mechanism of blockchain technology to reduce the risk of data leakage， solves trust issues， and provides safer doctor-patient interaction. It integrates traditional electronic medical records with cross institutional healthcare， creating personal lifelong medical record storage for each patient， and promoting the development of a lifelong healthcare system.

Keywords： data sharing; blockchain technology; electronic medical record; data security; B/S architecture