邵輝

摘要：文章設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種基于區(qū)塊鏈的共享病歷系統(tǒng)，通過醫(yī)院、病人、醫(yī)生三種用戶類型進(jìn)行使用，有效促進(jìn)了共享病歷的發(fā)展，改變了當(dāng)前病歷信息不標(biāo)準(zhǔn)、不規(guī)范、內(nèi)容少的問題。電子共享病歷能全面客觀地描述病情，更好地促進(jìn)醫(yī)療事業(yè)的發(fā)展，而區(qū)塊鏈技術(shù)也有力保障了病人的隱私問題。

關(guān)鍵詞：區(qū)塊鏈;共享病歷;共識協(xié)議;智能合約;加密

中圖分類號：TP301.6 ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2022）13-0063-02

醫(yī)療衛(wèi)生領(lǐng)域的改革雖然一直在進(jìn)行，但是效果有限，看病難最大的一個(gè)原因是各級醫(yī)院間的信息不暢通[1]，特別是醫(yī)療數(shù)據(jù)只在醫(yī)院內(nèi)部流轉(zhuǎn)和共享[2]，導(dǎo)致診治醫(yī)生不能看到病人完整的歷史就診記錄，無法實(shí)施精準(zhǔn)施治。為破解這個(gè)難題，文章提出共享病歷的構(gòu)想，建設(shè)以共享病歷為基礎(chǔ)的區(qū)域衛(wèi)生信息平臺(tái)[3]，促進(jìn)各級醫(yī)療衛(wèi)生機(jī)構(gòu)之間數(shù)據(jù)共享。當(dāng)病歷實(shí)現(xiàn)共享后，病人就沒有必要做同樣的化驗(yàn)和檢驗(yàn)，在不同的醫(yī)院也可以采用同一版病歷。醫(yī)生在得到病人授權(quán)后，就可以直接調(diào)取病人病歷，查看其所有的看病情況。

但是如何構(gòu)建數(shù)據(jù)共享機(jī)制來指導(dǎo)共享病歷的建設(shè)是目前的一大問題[4]，各個(gè)醫(yī)院參與意愿很低，而且病人的隱私也容易被不法分子竊取，傳統(tǒng)的技術(shù)很難滿足這兩點(diǎn)要求。但區(qū)塊鏈技術(shù)出現(xiàn)后，它的特性決定了能有效破解安全、共享兩大難題。

區(qū)塊鏈利用塊鏈?zhǔn)綌?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來驗(yàn)證與存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，它是一種去中心化和防篡改的分布式網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫，還具備很多新型計(jì)算機(jī)技術(shù)應(yīng)用模式，包括加密機(jī)制、共識算法、分布式數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、點(diǎn)對點(diǎn)傳輸?shù)取９蚕聿v采用區(qū)塊鏈技術(shù)，首先因?yàn)閰^(qū)塊鏈擁有時(shí)間戳，這樣保存在鏈上的數(shù)據(jù)都會(huì)帶有時(shí)間標(biāo)識，更因?yàn)樵诿看谓灰讜r(shí)采用密碼學(xué)方法使區(qū)塊和鄰近的兩個(gè)區(qū)塊均有聯(lián)系，因此任何一次交易均可追溯，所以可以保證病歷記錄可追溯;其次可以保證病歷數(shù)據(jù)不被篡改，因?yàn)閰^(qū)塊鏈利用分布式節(jié)點(diǎn)共識算法來生成和更新數(shù)據(jù)，存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)都是不可篡改的日志類型數(shù)據(jù);最后可以保證病歷數(shù)據(jù)的安全性，因?yàn)閰^(qū)塊鏈利用密碼學(xué)的技術(shù)，保證數(shù)據(jù)傳輸和訪問的安全。

1系統(tǒng)架構(gòu)

基于區(qū)塊鏈的共享病歷系統(tǒng)采用區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)Hyperledger Fabric，該網(wǎng)絡(luò)串聯(lián)起各個(gè)醫(yī)院等機(jī)構(gòu)組成聯(lián)盟。醫(yī)院聯(lián)盟提供數(shù)據(jù)共享的基礎(chǔ)設(shè)施，可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)醫(yī)院組織間共享電子病歷。每一條醫(yī)療鏈完整的區(qū)塊鏈服務(wù)均存放于每家醫(yī)院，利用此鏈可以完成醫(yī)療數(shù)據(jù)的查詢、驗(yàn)證等服務(wù)。另外還建立一臺(tái)訪問服務(wù)器用以提供對外訪問服務(wù)，此訪問服務(wù)器保存的內(nèi)容有：醫(yī)療服務(wù)的服務(wù)器地址、醫(yī)療信息的文件權(quán)限信息。當(dāng)存儲(chǔ)地址變更時(shí)，只需修改訪問服務(wù)器。系統(tǒng)建立在一個(gè)分散的網(wǎng)絡(luò)上[5]，連接所有的醫(yī)療大型機(jī)構(gòu)，如圖1所示。

2 系統(tǒng)關(guān)鍵問題

本系統(tǒng)有三個(gè)關(guān)鍵問題，分別是加密算法、智能合約和共識算法。

2.1 區(qū)塊鏈的加密算法

當(dāng)前采用基于屬性基加密的方案有兩種：采用密文策略的屬性基加密[6]和采用密鑰策略的屬性基加密[7]。在現(xiàn)代密碼體制下，密碼系統(tǒng)的安全性更多地取決于密鑰的保密性。一般不聯(lián)網(wǎng)訪問的私鑰存儲(chǔ)為冷錢包，聯(lián)網(wǎng)訪問的為熱錢包。冷錢包避免了黑客盜取私鑰的風(fēng)險(xiǎn)，比熱錢包更安全，但是熱錢包可以隨時(shí)交易。本系統(tǒng)為實(shí)現(xiàn)安全的病歷數(shù)據(jù)共享，采用KP-ABE算法來生成公私鑰對，用公鑰對病歷進(jìn)行加密。

在KP-ABE算法里一個(gè)訪問控制對應(yīng)一個(gè)密鑰、一個(gè)屬性集合對應(yīng)一個(gè)密文，只有當(dāng)屬性集合中的屬性可以滿足此訪問結(jié)構(gòu)時(shí)才能進(jìn)行解密。也就是說利用相關(guān)的屬性對密文加密后保存于服務(wù)器，然后讓用戶利用授予的特定的訪問結(jié)構(gòu)來訪問相應(yīng)的消息。

2.2 區(qū)塊鏈的智能合約

區(qū)塊鏈系統(tǒng)使用智能合約來管理對病歷的授權(quán)，除非得到用戶授權(quán)，否則他人查看到的只是加密后的數(shù)據(jù)。區(qū)塊鏈的智能合約[8]是一種具有狀態(tài)的、由事件觸發(fā)的協(xié)議，它能夠自行進(jìn)行驗(yàn)證并能自動(dòng)執(zhí)行。

在Fabric架構(gòu)中智能合約也稱為鏈碼，包括：系統(tǒng)鏈碼、用戶鏈碼。通常用GO語言或者JAVA語言來實(shí)現(xiàn)鏈碼所要求的接口代碼;鏈碼對不同的運(yùn)算操作會(huì)分別設(shè)置不同的函數(shù)，并且對其進(jìn)行一定的邏輯判斷;鏈碼與其他數(shù)據(jù)庫中的所有數(shù)據(jù)之間能夠?qū)崿F(xiàn)交互是基于運(yùn)算方法getstate（）和putstate（）;通常將鏈碼在背書節(jié)點(diǎn)上安裝，定義好背書策略再于某通道進(jìn)行實(shí)例化后才能運(yùn)行鏈碼;鏈碼作為訪問賬本的基本方法，在一個(gè)安全的背書節(jié)點(diǎn)創(chuàng)建和管理的沙盒內(nèi)運(yùn)行，這樣可以將背書節(jié)點(diǎn)隔離于鏈碼的運(yùn)行環(huán)境。

2.3 區(qū)塊鏈的共識算法

共識算法使一組節(jié)點(diǎn)能夠基于特殊節(jié)點(diǎn)列表形成共識。區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)的一致性是利用共識協(xié)議來保證，共識算法不同則適用情況也不同。常用的共識算法包括權(quán)益證明算法、工作量證明算法、股份授權(quán)證明算法和PBFT算法。實(shí)用拜占庭容錯(cuò)算法是首個(gè)解決拜占庭將軍問題的方案，在Hyperledger Fabric中應(yīng)用十分廣泛。PBFT算法使用較少的預(yù)選定將軍數(shù)，即參與投票節(jié)點(diǎn)的身份是事先知道的，因此運(yùn)行非常高效，交易的確認(rèn)時(shí)間只需幾秒鐘。

PBFT算法有三個(gè)重要階段：預(yù)準(zhǔn)備、準(zhǔn)備和確認(rèn)。預(yù)準(zhǔn)備階段和準(zhǔn)備階段要確定同一個(gè)view里每個(gè)副本節(jié)點(diǎn)均認(rèn)可的序列，然后按照序列執(zhí)行;準(zhǔn)備階段和確認(rèn)階段則確保已經(jīng)達(dá)到確認(rèn)狀態(tài)的請求在發(fā)生view change后仍然在新的view里維持原序列。

算法具體做法如下：

1）客戶端發(fā)起請求后，系統(tǒng)輪流選舉出主節(jié)點(diǎn)，初始化時(shí)發(fā)出View-new消息，同步所有節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)。

2）用戶將請求轉(zhuǎn)發(fā)給主節(jié)點(diǎn)并由其驗(yàn)證通過后再進(jìn)行廣播，發(fā)起預(yù)準(zhǔn)備消息給所有的下一個(gè)節(jié)點(diǎn)并且保存。

3）所有的下節(jié)點(diǎn)收到預(yù)準(zhǔn)備消息后進(jìn)行校驗(yàn)，防止造假或者篡改。

4）下節(jié)點(diǎn)驗(yàn)證正確之后永久寫入，再廣播預(yù)準(zhǔn)備消息并一起進(jìn)入預(yù)準(zhǔn)備階段。

5）根據(jù)所有節(jié)點(diǎn)統(tǒng)計(jì)的結(jié)果，當(dāng)超過2f個(gè)節(jié)點(diǎn)后，大部分節(jié)點(diǎn)均已持久化，則進(jìn)入確認(rèn)階段。

6）把確認(rèn)消息進(jìn)行廣播并統(tǒng)計(jì)收到的確認(rèn)消息的數(shù)量，當(dāng)超過2f節(jié)點(diǎn)后，則寫入數(shù)據(jù)。利用狀態(tài)機(jī)更新，然后將最后一次請求返回給用戶端。

7）當(dāng)用戶端統(tǒng)計(jì)消息超過f個(gè)節(jié)點(diǎn)后，則交易已被確認(rèn)成功。如果超時(shí)則向所有的非主節(jié)點(diǎn)廣播。

PBFT共識遵循核心成員的“51%權(quán)利”，它的初始特殊節(jié)點(diǎn)列表要接納一個(gè)新成員，必須由51%的會(huì)員投票通過;PBFT算法具備權(quán)限分級能力，性能更高，耗能更低;PBFT算法是采用“許可投票、少數(shù)服從多數(shù)”來選舉領(lǐng)導(dǎo)者并進(jìn)行記賬的共識機(jī)制，它使用拜占庭容錯(cuò)機(jī)制，而且每輪記賬都會(huì)由全網(wǎng)節(jié)點(diǎn)共同選舉領(lǐng)導(dǎo)者，允許20%的節(jié)點(diǎn)作惡，也就是說容錯(cuò)率為20%，如果區(qū)塊鏈上總的節(jié)點(diǎn)數(shù)是n個(gè)，則可以容忍（n-1）/5個(gè)節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)拜占庭錯(cuò)誤。

因?yàn)獒t(yī)療系統(tǒng)是一個(gè)相對安全、穩(wěn)定的環(huán)境，而且實(shí)用拜占庭容錯(cuò)算法在吞吐量以及交易確認(rèn)時(shí)間方面有著巨大的優(yōu)勢，因此本系統(tǒng)使用PBFT共識機(jī)制來使系統(tǒng)快速達(dá)成共識，每個(gè)區(qū)塊鏈服務(wù)器都會(huì)保存一份病歷鏈的完整副本。

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)設(shè)計(jì)如圖2所示：

系統(tǒng)分為前端和后端。前端的邏輯業(yè)務(wù)層為各種用戶可以訪問的頁面提供支持。前端系統(tǒng)包含三類用戶：病人、醫(yī)生、醫(yī)院管理人員，區(qū)塊鏈中的賬本數(shù)據(jù)都是由這三類用戶來操作。例如病人、醫(yī)生和醫(yī)院管理人員的登錄界面如圖3所示：

前端系統(tǒng)包括以下主要功能模塊：身份認(rèn)證模塊用來確認(rèn)登錄賬號是否正確，并根據(jù)賬號角色來分配相應(yīng)的操作權(quán)限。無論是具有管理權(quán)限的賬號還是只能瀏覽查看的賬號，身份認(rèn)證模塊均可以記錄所有用戶的操作行為到日志文件作為存證，病人也可以授權(quán)給醫(yī)生是否可以查看自己病歷，如圖4所示;查詢模塊用來根據(jù)用戶所輸入的查詢指令在區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)庫中獲取相應(yīng)的信息，例如病人想查看自己的病歷，則查詢模塊根據(jù)病人的指令要求，顯示相應(yīng)的病歷信息;加密模塊用非對稱加密的方式來將區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)庫的病歷信息進(jìn)行加密，進(jìn)一步防止病歷信息的泄露;處理模塊用來將電子病歷信息保存到區(qū)塊鏈型數(shù)據(jù)庫中。

后端為與Fabric交互的數(shù)據(jù)信息操作層，后端系統(tǒng)主要包括共識機(jī)制模塊、區(qū)塊鏈驗(yàn)證模塊和交易執(zhí)行與存儲(chǔ)模塊。

4結(jié)束語

本文基于區(qū)塊鏈設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了共享病歷系統(tǒng)，此系統(tǒng)設(shè)計(jì)了符合醫(yī)院需求的業(yè)務(wù)設(shè)計(jì)，并通過編寫和部署智能合約到區(qū)塊鏈上來實(shí)現(xiàn)，最后利用VUE框架和JAVA語言完成了前端頁面實(shí)現(xiàn)。本系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)會(huì)促進(jìn)共享病歷的發(fā)展，有效改變當(dāng)前病歷信息不標(biāo)準(zhǔn)、不規(guī)范、內(nèi)容少的問題。電子共享病歷將能更全面客觀地描述病情，促進(jìn)醫(yī)療事業(yè)的發(fā)展，而區(qū)塊鏈技術(shù)也有力保障了病人的隱私問題。

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【通聯(lián)編輯：張薇】