朱一新，徐挺玉

（南京醫(yī)科大學第一附屬醫(yī)院（江蘇省人民醫(yī)院）信息處，江蘇 南京 210029）

0 引言

重癥監(jiān)護病房（Intensive Care Unit，ICU）是以救治急危重病人為中心的精確診療醫(yī)療單元。通過現(xiàn)代化的醫(yī)療監(jiān)護儀器設(shè)備，可以全面、深入、系統(tǒng)地觀察和分析患者病情，并提供給醫(yī)護人員及時、有效的決策數(shù)據(jù)。重癥監(jiān)護病房醫(yī)護人員的醫(yī)療水平、監(jiān)護儀器設(shè)備的配置狀況，已成為衡量一所現(xiàn)代化醫(yī)院急救醫(yī)療水平的重要標準。將ICU 病房內(nèi)各類醫(yī)療設(shè)備聯(lián)網(wǎng)，建設(shè)數(shù)據(jù)交互與協(xié)同醫(yī)療管理平臺，可以更加高效地獲取患者及設(shè)備相關(guān)數(shù)據(jù)，實現(xiàn)信息集成，加快院內(nèi)信息互聯(lián)互通，通過對監(jiān)護數(shù)據(jù)的預防性監(jiān)測降低臨床風險和不良事件。

ICU 病房中醫(yī)療設(shè)備產(chǎn)生的海量的監(jiān)護數(shù)據(jù)具有其特殊的敏感性和重要性，醫(yī)療數(shù)據(jù)安全不僅關(guān)系到患者的個人隱私、重癥監(jiān)護行業(yè)發(fā)展，甚至關(guān)系到國家安全。當前情況下，基于監(jiān)護數(shù)據(jù)的安全保護技術(shù)引起了人們的重視。隨著區(qū)塊鏈技術(shù)的發(fā)展，通過數(shù)據(jù)層非對稱加密、網(wǎng)絡層P2P 協(xié)議、共識層各類共識算法等，解決了數(shù)據(jù)的可信問題[1]。通過應用區(qū)塊鏈技術(shù)，無需第三方可信機構(gòu)介入，解決了由中心化模型產(chǎn)生的安全問題[2-3]。

利用區(qū)塊鏈的這些特性，可以將監(jiān)護數(shù)據(jù)以數(shù)字簽名的方式進行標記保存，實現(xiàn)監(jiān)護數(shù)據(jù)的安全性、可追溯性。隨著學者對區(qū)塊鏈的研究，以太坊的概念在2013 年被提出來，標志著區(qū)塊鏈2.0 時代的到來，智能合約層的提出使區(qū)塊鏈技術(shù)能夠擴展和應用到各大領(lǐng)域[4-6]。黃銘鈞等提出區(qū)塊鏈框架概念和高效存儲引擎，并用于收集醫(yī)療數(shù)據(jù)、給出預測性健康報告等。Gem 公司基于區(qū)塊鏈技術(shù)，進行醫(yī)療供應鏈管理，提高了患者訪問控制的安全性。PokitDok 公司提出了DokChain 醫(yī)療區(qū)塊鏈，用于對醫(yī)療領(lǐng)域的財務數(shù)據(jù)和臨床數(shù)據(jù)的交易處理。2015年，區(qū)塊鏈技術(shù)從金融領(lǐng)域擴展到醫(yī)療、物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域。Chronicled 公司為醫(yī)療供應鏈和物聯(lián)網(wǎng)客戶構(gòu)建基于區(qū)塊鏈技術(shù)的應用，實現(xiàn)從醫(yī)療設(shè)備、制藥到包裹追蹤的一系列應用。

本文主要從ICU 監(jiān)護數(shù)據(jù)交互平臺與醫(yī)院協(xié)同管理平臺（下文簡稱為數(shù)據(jù)交互管理平臺）建設(shè)需求、基于聯(lián)盟鏈的數(shù)據(jù)交互管理平臺的存儲和訪問、基于聯(lián)盟鏈的數(shù)據(jù)交互管理平臺安全認證與訪問控制模型，這3 個方面來分析如何運用區(qū)塊鏈技術(shù)實現(xiàn)ICU 監(jiān)護數(shù)據(jù)交互平臺與醫(yī)院協(xié)同管理平臺的建設(shè)和應用。

1 基于ICU 監(jiān)護數(shù)據(jù)管理平臺建設(shè)需求

當前，雖然大多數(shù)ICU 病區(qū)已建設(shè)中央監(jiān)護儀來記錄患者監(jiān)護數(shù)據(jù)，但呼吸機、輸液泵、心電監(jiān)護儀、血透機、血壓計等設(shè)備數(shù)據(jù)仍為單機版，并沒有一個用于數(shù)據(jù)記錄、集成交互的平臺，仍需要人工進行測量和錄入工作，這增加了醫(yī)護人員的工作，且無法保證監(jiān)護數(shù)據(jù)的真實性和準確性。同時由于發(fā)生醫(yī)療行為的地點相對分散，導致數(shù)據(jù)記錄方式相對局限，患者臨床信息分散，無法將患者完整的監(jiān)護數(shù)據(jù)記錄到系統(tǒng)中，存在信息碎片化現(xiàn)象，因此需要一個可以全方面、高效率獲取患者監(jiān)護信息的綜合管理平臺。

隨著大數(shù)據(jù)時代的到來，醫(yī)療數(shù)據(jù)安全問題會日趨嚴重[7]，如何建設(shè)傳輸和存儲安全的數(shù)據(jù)交互管理平臺是保護患者監(jiān)護數(shù)據(jù)的重要的部分[8]。與此同時，為打破信息孤島，各系統(tǒng)、各醫(yī)療部門、各醫(yī)聯(lián)體、各衛(wèi)生管理部門間均需要進行醫(yī)療數(shù)據(jù)的信息共享，而當前大多數(shù)的數(shù)據(jù)交互管理平臺主要是中心化存儲方式，并且由于數(shù)據(jù)儲存的標準與系統(tǒng)不同，導致實現(xiàn)系統(tǒng)間互聯(lián)互通需要花費大量的時間和精力進行改造。醫(yī)療數(shù)據(jù)的完整性和可用性是順利開展醫(yī)療行為的基本保證[9]，衛(wèi)生管理機構(gòu)、醫(yī)療機構(gòu)、醫(yī)療人員和患者都迫切需要一種能夠在各醫(yī)院之間實現(xiàn)醫(yī)療信息共享,并且能夠保證患者信息不會泄露的數(shù)據(jù)交互管理平臺。

同時，在建設(shè)ICU 監(jiān)護數(shù)據(jù)交互管理平臺時，需要考慮到：ICU 監(jiān)護設(shè)備往往計算和存儲能力較弱，甚至有些監(jiān)護設(shè)備的傳感器節(jié)點沒有存儲和計算能力，要如何進行授權(quán)決策管理問題；監(jiān)護設(shè)備數(shù)量較多，種類各不相同，其產(chǎn)生的數(shù)據(jù)格式也不一致的問題；如血透機、呼吸機等監(jiān)護設(shè)備往往價格較高，存在多個床位使用同一臺設(shè)備的情況，從而需要考慮監(jiān)護設(shè)備的移動性和動態(tài)接入問題。

區(qū)塊鏈可以根據(jù)參與者的不同，按照訪問管理權(quán)限劃分為公有鏈、聯(lián)盟鏈和私有鏈。公有鏈的參與者或者參與節(jié)點可以自由進出網(wǎng)絡，因此，公有鏈需要考慮網(wǎng)絡中存在故障節(jié)點和作惡節(jié)點的情況；聯(lián)盟鏈是指由若干機構(gòu)聯(lián)合發(fā)起且僅限于聯(lián)盟機構(gòu)參與的區(qū)塊鏈，與公有鏈的區(qū)別在于聯(lián)盟鏈的網(wǎng)絡節(jié)點需要嚴格的認證和審核才能加入或退出。與公有鏈相比，網(wǎng)絡節(jié)點數(shù)量較少,且節(jié)點間有相對程度的信任；私有鏈一般為私有機構(gòu)自己組建，適用的場景一般不考慮存在作惡節(jié)點，只考慮因系統(tǒng)或網(wǎng)絡原因?qū)е碌墓收瞎?jié)點情況。區(qū)塊鏈在醫(yī)療行業(yè)的應用，一般是一家或幾家醫(yī)療機構(gòu)、衛(wèi)生管理機構(gòu)或醫(yī)聯(lián)體間進行數(shù)據(jù)共享和互聯(lián)互通，這些機構(gòu)接受政府監(jiān)督與管理，具有嚴格的驗證和審查。根據(jù)上述特點，本文建設(shè)基于聯(lián)盟鏈的ICU 監(jiān)護數(shù)據(jù)交互管理平臺，基本架構(gòu)如圖1 所示。

圖1 ICU 監(jiān)護數(shù)據(jù)管理平臺架構(gòu)圖

2 基于聯(lián)盟鏈的數(shù)據(jù)交互管理平臺存儲

由于區(qū)塊鏈自身具有不可篡改和隱私保護的特性，因此基于聯(lián)盟鏈的數(shù)據(jù)交互管理平臺的應用對ICU 監(jiān)護設(shè)備訪問控制提供了第三方的可信平臺，為ICU 病房中所有涉及到物聯(lián)網(wǎng)的相關(guān)監(jiān)護設(shè)備提供訪問控制的計算和存儲能力。

建立一個基于ICU 監(jiān)護數(shù)據(jù)管理平臺的區(qū)塊鏈，首先需要設(shè)計區(qū)塊，一個區(qū)塊包括頭和區(qū)塊體，區(qū)塊頭設(shè)計有：上一個區(qū)塊ID、公鑰、數(shù)字簽名、默克爾樹根哈希值、時間戳，還包括加密的交易單（個數(shù)或內(nèi)容）、交易單ID。區(qū)塊體主要保存監(jiān)護數(shù)據(jù)、呼吸機數(shù)據(jù)、血壓數(shù)據(jù)、透析數(shù)據(jù)、輸血數(shù)據(jù)、心電數(shù)據(jù)、鎮(zhèn)痛泵數(shù)據(jù)等，對數(shù)據(jù)進行哈希運算并形成默克爾樹根哈希值，實現(xiàn)了安全性認知，提高了數(shù)據(jù)同步效率，解決了大數(shù)據(jù)量問題，實現(xiàn)了零知識證明。通過存儲父區(qū)塊實現(xiàn)區(qū)塊與區(qū)塊的關(guān)聯(lián)，邏輯上將區(qū)塊串成了鏈。此外，本項目設(shè)計增加了索引模塊包括區(qū)塊哈希值、區(qū)塊數(shù)、交易ID、交易類型、分類索引、存儲地址、數(shù)字簽名、時間戳、公鑰，從而方便快速定位區(qū)塊，進行監(jiān)護數(shù)據(jù)交互。

對數(shù)據(jù)進行加密與驗證采用SHA256 哈希算法，數(shù)字簽名采用RSA 數(shù)字簽名算法，節(jié)點對傳輸?shù)腎CU 監(jiān)護數(shù)據(jù)進行支付驗證和交易驗證，具體實現(xiàn)方式如：首先A 節(jié)點用私鑰對其監(jiān)護數(shù)據(jù)的哈希值進行簽名，與監(jiān)護數(shù)據(jù)一起傳送給接收者B 節(jié)點，B節(jié)點對簽名用公鑰解密，并將監(jiān)護數(shù)據(jù)進行哈希運算，比較兩次數(shù)據(jù)是否相同，實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互過程中防篡改問題，A 對信息進行了簽名，同時也是無法抵賴的。

區(qū)塊上鏈時，索引模塊會記錄該交易單ID、交易類型、不同分類交易單的索引、時間戳、數(shù)字簽名和公鑰，生成一張映射表，提高數(shù)據(jù)訪問速度，其中交易單類型分為臨床數(shù)據(jù)類、實體信息類、交互類的交易類型。區(qū)塊鏈通過分布式架構(gòu)，建立點對點的非集中架構(gòu)的信任存儲模式，以及賬本結(jié)構(gòu)的形式實現(xiàn)公開透明性和數(shù)據(jù)不可篡改性，最終實現(xiàn)中央存儲方式到分布式存儲方式的轉(zhuǎn)換。在存儲過程中，每個區(qū)塊的數(shù)據(jù)都會序列成字節(jié)碼的形式寫入 dat 文件中，在寫入數(shù)據(jù)的過程中，通過索引模塊會生成區(qū)塊和交易相關(guān)的元數(shù)據(jù)、數(shù)字簽名、公鑰、時間戳等信息，存儲到數(shù)據(jù)庫中。數(shù)據(jù)層結(jié)構(gòu)圖如圖2 所示。

圖2 ICU 監(jiān)護數(shù)據(jù)管理平臺數(shù)據(jù)層圖

3 基于聯(lián)盟鏈的數(shù)據(jù)交互管理平臺建設(shè)

基于監(jiān)護數(shù)據(jù)的醫(yī)療聯(lián)盟鏈的節(jié)點，包括驗證交易和區(qū)塊正確性的驗證器和生成器，節(jié)點采用Raft共識算法，主要分為領(lǐng)導節(jié)點、跟隨節(jié)點、候選節(jié)點三種狀態(tài)，按照時間順序輪流做主節(jié)點，進行日志消息的記錄與分發(fā)。當數(shù)據(jù)交互管理平臺客戶端發(fā)來請求時，領(lǐng)導節(jié)點并行發(fā)送消息給其他節(jié)點，當其他節(jié)點收到請求后驗證區(qū)塊的正確性，反饋給領(lǐng)導節(jié)點，并在下一個心跳中領(lǐng)導節(jié)點會通知所有其他節(jié)點更新確認區(qū)塊鏈。

在本項目數(shù)據(jù)交互過程主要從設(shè)備采集客戶端、數(shù)據(jù)交互管理客戶端、消費客戶端、區(qū)塊節(jié)點進行。ICU 監(jiān)護設(shè)備的采集程序主要是從呼吸機、監(jiān)護儀、輸液泵、血透機等設(shè)備中獲取患者生命體征數(shù)據(jù)，設(shè)備采集器本身只進行監(jiān)護數(shù)據(jù)的采集工作，上鏈生成的患者監(jiān)護數(shù)據(jù)只有基本生命體征數(shù)據(jù)和相應儀器ID，即臨床數(shù)據(jù)類信息。數(shù)據(jù)交互管理客戶端可以增加、修改、更新患者身份信息和患者與監(jiān)護設(shè)備關(guān)聯(lián)關(guān)系信，該類信息定義為實體信息類。具體數(shù)據(jù)交互模式如下圖所示。消費客戶端主要是只從區(qū)塊鏈中獲取患者對應的監(jiān)護數(shù)據(jù)，對消息進行訪問，我們將客戶端對區(qū)塊鏈中數(shù)據(jù)進行訪問的操作信息定義為交互類信息，記錄并上鏈。項目采用標準規(guī)范化數(shù)據(jù)傳輸接口，不同客戶端設(shè)置不同訪問權(quán)限，產(chǎn)生的交易也為不同交易類型。通過對客戶端進行安全認證，避免患者監(jiān)護數(shù)據(jù)被竊取泄露。

最終達到的效果就是監(jiān)護設(shè)備客戶端上傳數(shù)據(jù)至區(qū)塊節(jié)點，區(qū)塊leader 節(jié)點，生成一個區(qū)塊發(fā)給各follower 節(jié)點，認證沒有問題后，進行上鏈操作。同時數(shù)據(jù)管理平臺可以進行數(shù)據(jù)的展示和第三方系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)共享，最終實現(xiàn)通過區(qū)塊鏈存儲應用ICU監(jiān)護管理中，進行患者生命體征全方位的監(jiān)測。管理平臺的數(shù)據(jù)交互模式如圖3 所示。

圖3 ICU 監(jiān)護數(shù)據(jù)管理平臺數(shù)據(jù)交互模式圖

4 討論

本文提出了基于聯(lián)盟鏈的數(shù)據(jù)交互管理平臺安全認證與協(xié)同調(diào)度模型中對交易單進行分類管理，包括臨床數(shù)據(jù)類、實體信息類、交互類的交易類型，建設(shè)索引模塊，有助于交互平臺的可擴展性和可追溯性。采用了Raft 共識機制,能夠保證以很小的算力來實現(xiàn)系統(tǒng)安全穩(wěn)定的運行，且保障了系統(tǒng)的執(zhí)行速度和系統(tǒng)吞吐量。該平臺以較少的節(jié)點啟動,有助于區(qū)塊鏈技術(shù)在醫(yī)療信息方面的應用推廣。較新穎地將區(qū)塊鏈技術(shù)結(jié)合到硬件設(shè)備數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)共享等方面，實現(xiàn)了基于物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備和數(shù)據(jù)交互平臺的聯(lián)盟鏈設(shè)計和多角色訪問控制，解決了醫(yī)療聯(lián)盟跨機構(gòu)間數(shù)據(jù)共享和安全性問題，為基于物聯(lián)網(wǎng)和數(shù)據(jù)交互平臺的醫(yī)療信息安全和協(xié)同管理建設(shè)提供一定的參考。