區塊鏈技術支撐下的新型醫療資源管理系統*

徐方位 張艷碩 高雨辰

北京電子科技學院，北京市 100070

引言

隨著比特幣等數字貨幣的興起，區塊鏈技術作為其核心技術，結合了分布式數據存儲、點對點傳輸、共識機制和加密算法等計算機技術，得到廣泛認可，目前區塊鏈技術的應用已逐步被多個行業重視，區塊鏈具有分布式、去信任、公開透明、不可篡改、可追溯、集體維護和隱私維護等特點，對于醫療系統領域而言，需要引入區塊鏈技術作為新的創新點以完善傳統醫療系統的不足。

我們旨在將區塊鏈技術、國密算法與醫療服務相結合，給醫療資源管理事業提供安全的保障；同時希望利用區塊鏈P2P 網絡的特性，解決資源流動效率低下的問題。 根據區塊鏈分布式系統具有的透明、公開、不可篡改的特性，我們可以更好地監控該系統中每一筆珍貴藥品的流動，一旦發生分配不合理等現象，可以根據區塊鏈的儲存方式追查到數據源頭，從而追回。 借助互聯網醫療大數據技術和云技術，我們可以對相關的醫療信息進行重構和及時的更新維護，從而構建起新型醫療資源社區。

在醫療系統功能方面，我們旨在提出基于區塊鏈技術的醫療系統功能的概念化設想，如借助區塊鏈實現病例信息同步化管理、醫學難題資源共享、轉接診信息管理等功能，為現實應用提供思路和方法。

1 區塊鏈技術

1.1 區塊鏈背景

比特幣(Bitcoin)的概念最初由中本聰在2008 年11 月1 日提出，并于2009 年1 月3 日正式誕生。 比特幣不依靠特定貨幣機構發行，它依據特定算法，通過大量的計算產生，比特幣經濟使用整個P2P 網絡中眾多節點構成的分布式數據庫來確認并記錄所有的交易行為，并使用密碼學的設計來確保貨幣流通各個環節安全性。

隨著比特幣等數字貨幣的興起，區塊鏈技術作為其核心技術，結合了分布式數據存儲、點對點傳輸、共識機制和加密算法等計算機技術，具有去中心化、開放性、不可篡改性、可追溯性和匿名性等特點，逐步應用于金融服務，供應鏈，醫療教育等領域。

如今，由于虛擬貨幣的不穩定性，區塊鏈正在逐漸去幣化，越來越多的工程開始借鑒區塊鏈的設計思想。 為順應社會發展趨勢，我們參考以太坊，超級賬本的實現機制，提出了一種安全性能更高的基于區塊鏈技術的新型醫療系統設計思想。 通過區塊鏈把醫療系統的項目信息共享出來，與相關網絡上有互聯網籌款權限的組織聯合，同時與民政部門、醫院等精準扶貧信息進行對接，為真正需要幫助的人提供便利。

1.2 區塊鏈共識機制

1.2.1 應用DPOS(代理權益證明)機制得到委托人名單

區塊鏈中的共識算法核心就是解決三個問題:誰來產生block(區塊)，何時產生block，如何驗證block 的合法性。 DPOS 選擇的方式是:由當前的排名靠前的委托人列表和當前的時間偏移共同決定Block 的生產者，按照固定的時間間隔定期產生block，因為可以通過block 的時間戳確定合法鍛造者，所以可以通過block 附帶的簽名和委托人的公鑰驗證其合法性。 然而DPOS存在著安全性上的漏洞，如委托人的權力過高，可能引發區塊濫用的風險，因為DPOS 不像POW 那樣對算力有要求，DPOS 的委托人鍛造區塊不需要算力，他們可以在瞬間鍛造出無數區塊，并發往不同的網絡節點，導致網絡分叉。

1.2.2 委托人組應用PBFT(使用拜占庭協議)機制處理交易請求

區塊的驗證，不再采用單一的簽名驗證，而是全節點投票的方式，每當新區塊創造出來時，忠誠的節點并不會立即將其寫入區塊鏈，而是等待其他節點的投票。 當這個票數超過一定數量后，才進入執行階段。

本算法假定錯誤節點數不超過f個，總結點數n≥3f+ 1，那么系統可以通過滿足以下兩個條件來保證區塊鏈的一致性:

如果一個正確的節點接受并執行了一個block，那么所有正確的節點都提交相同的block。

所有正確的節點要么落后于最長鏈，要么與最長鏈一致，不會出現高度相同但block 不同的情況。

1.3 區塊鏈實現原理

區塊鏈通過去中心化和去信任的方式集體維護一個可靠數據庫。 該技術方案讓參與系統的任意多個節點，把一段時間內系統全部信息交流的數據，通過密碼學算法計算和記錄一個數據塊，并且生成該數據塊的指紋用于鏈接下個數據塊并校驗，系統所有參與節點來共同認定記錄是否為真。

區塊鏈的核心潛力在于分布式數據庫的特性及其如何助益透明、安全和效率。 區塊鏈作為一個最純粹的應用形態，是一個共享的電子交易賬本，以一個抗干擾的、對所有人公開可見的鏈條形式，由全網參與者共同記錄和驗證。 許可制或私有變種會在此之上增加一層特權，以決定誰可以參與到這個鏈條上。

1.3.1 分布式賬本技術

從數據的角度來看，區塊鏈是一種分布式賬本，不僅能實現數據的分布式存儲(可以存儲在所有參與記錄數據的節點中，而非集中存儲于中心化的機構節點中)，也能實現數據的分布式記錄(可以由系統參與者集體記錄，而非由一個中心化的機構集中記錄)。

從效果的角度來看，區塊鏈可以生成一套記錄時間先后的、不可篡改的、可信任的數據庫，這套數據庫是去中心化存儲且數據安全能夠得到有效保證的。

從形成過程來看，區塊鏈以區塊為單位結構，如圖1 所示。 在單筆交易中產生的Hash 值存放在區塊頭中。 區塊鏈技術將不斷生成的交易加入到區塊中，當前區塊滿足條件后可加入主區塊鏈。 每一個區塊頭包含父區塊的Hash 值。這樣一來，這個連接各個區塊的Hash 值序列就形成了一條可以一直追溯到創世區塊的鏈條，也就是區塊鏈。

圖1 區塊鏈的單位結構

1.3.2 國密算法

國密算法是國家商用密碼管理辦公室制定的一系列密碼標準，主要包括SM1、SM2、SM3、SM4、SM7、SM9、祖沖之密碼算法等。

SM1 算法為對稱加密算法。 其加密強度與AES 相當。 該算法不公開，調用該算法時，需要通過加密芯片的接口進行調用。

SM2 算法為非對稱加密算法，基于ECC 橢圓曲線。 該算法已公開。 由于該算法基于ECC，故其簽名速度與秘鑰生成速度都快于RSA。 ECC 256 位安全強度比RSA 2048 位高，但運算速度快于RSA。

SM3 算法是消息摘要算法。 該算法已公開。 校驗結果為256 位。

SM4 算法是無線局域網標準的分組數據算法。 屬于對稱加密，密鑰長度和分組長度均為128 位。

2 系統功能總覽

在局域性的傳統醫療系統中，各個節點能量有限，因此本系統采用聯盟鏈區塊鏈技術來設計安全數據存儲系統。 除此之外，為保證支付完整可靠，保護交易雙方個人隱私，保障對數據進行合法的訪問，同時滿足用戶的多元化需求，本作品系統將采用國密算法、雙鏈結構(私有鏈和聯盟鏈)、混合共識機制和權限管理等多個技術方面進行設計。

2.1 區塊鏈完成病例信息同步化管理流程

目前多數醫療系統應用多使用中心化的設計，中心化則有信息造假的可能性。 為解決這一問題，本產品使用區塊鏈去中心化功能，去中心化程度更高，信息更加透明，開放。 采用DPOS與PBFT 相結合的混合共識體制，極大地提高了聯盟鏈的效率，確保信息同步化能夠安全迅速。將病例信息同步化至區塊鏈中，由于區塊鏈的本身特性，可以保證資源的有效共享，安全共享以及及時查詢，為救治病人提供了便利，擴大了醫學治療的窗口期。 病例信息同步化管理借助于分布式數據庫技術，實現病人病例信息的儲存、查詢、共享。 個人信息數據庫和記錄病例信息存儲至分布式的病例信息數據庫中，可以保證資源的安全有效共享，方便患者隨時隨地查詢。

2.2 轉接診信息管理采用區塊鏈技術進行優化

針對傳統區塊鏈為單一鏈條的形式，結合需要，形成了“接診”和“轉診”兩條區塊鏈。 接診為私有鏈，記錄每一個接診信息的來源，去向。轉診鏈為聯盟鏈，入駐各大醫院方，已經經過認證的用戶及組織才可發起進行相關轉診操作，這樣有效阻止了轉接診斷的低效性和無序性。

2.3 基于區塊鏈提出了電子病歷數據共享方案

方案模型的構造利用了私有鏈與聯盟鏈。每家醫院都擁有自己的私有鏈與服務器，多個私有鏈一起構建聯盟鏈。 患者病歷密文存儲在醫院服務器，病歷密文的哈希值和關鍵字索引存儲在醫院私有鏈上， 而由私有鏈塊標識、患者偽身份和關鍵字索引構成的安全索引則存儲在聯盟鏈上。

2.4 無需全局可信的第三方實體

與傳統的數據中心化存儲不同，本作品數據存儲聯盟鏈采用分布式數據存儲方法來保證數據的安全存儲，不依賴于全局可信的第三方實體，節點間采用端到端的通信方式，分布式存儲數據，從而避免了傳統中心化數據存儲方法的中心節點容易遭受集中式惡意攻擊的風險。 這種非中心化的存儲系統具有良好的可擴展性和可靠性。

2.5 使用可搜索加密技術、代理重加密技術

聯盟鏈上存儲了由關鍵字索引所構成的安全索引。 當有患者或者數據用戶需要使用電子病歷數據時， 患者使用自己的私鑰產生搜索陷門發送至聯盟鏈， 聯盟鏈上節點進行搜索。 經患者授權后， 聯盟鏈上節點在搜索到患者病歷的原始密文后，對原始密文進行代理重加密，將轉換后的密文發送給第三方數據用戶， 數據用戶使用自己的私鑰解密密文。

2.6 國密算法保護敏感信息

醫療信息中有很多患者個人的隱私數據，我們設想采用國密算法保護這些敏感信息，以及進行真實性、完整性等保護。 具體做法包括:保密卡模塊中擁有用戶和醫院的私鑰，作為唯一標識；在發送病歷時，本地通過SM3 摘要算法和SM2 簽名算法計算MAC 值，并發送給服務節點，服務節點通過用戶與醫院的公鑰進行真實性和完整性的驗證。 同時也可采用數字信封技術，本地隨機生成16 進制隨機向量，用于與病歷數據作SM4 對稱加密；將隨機向量使用私鑰加密，一并傳遞給服務節點；節點在接收數據之后通過相反流程進行解密，此舉在保證數據安全性的同時可有效提高加解密速度。

3 系統模塊總覽

我們基于區塊鏈技術、云數據庫技術、訪問控制系統與智能軟硬件設備，完成如下四個主要模塊，通過保密卡模塊和訪問控制模塊為患者和醫院提供真實性和機密性，通過信息存儲模塊為用戶提供機密性和完整性，通過防篡改模塊提供完整性和不可否認性，以此構建了一個高透明、高安全、易共享、易監管的智慧醫療資源管理系統。

3.1 保密卡模塊

我們為用戶和醫院提供了保密卡，保密卡由用戶/醫院唯一擁有。 保密卡存有用戶/醫院唯一標 識uid/pid和 用 戶/醫 院 私 鑰uPriKey/pPriKey， 且擁有獨立計算能力，能夠為醫患雙方提供物理環境下的真實性認證。

圖3 保密卡模塊結構圖

3.2 訪問控制模塊

我們在系統上設計了訪問控制模塊。 通過保密卡模塊結合數字簽名機制，可以在訪問控制模塊中對用戶或醫院實體進行認證。 醫患雙方可以通過刷卡驗證身份來獲取相應的權限。

3.3 防篡改模塊

我們設計了用戶鏈對患者與醫院生成的診療數據進行存儲，能夠有效防止病歷信息篡改，為醫患糾紛事務提供了可依靠的證據。 區塊鏈的共識機制使用DPOS 共識算法，可以有效解決區塊鏈資源浪費的問題。

3.4 信息存儲模塊

我們設計了統一的電子病歷數據庫，提高信息的可共享性，可以為患者提供完整的個人病歷，用戶通過個人私鑰即可對應到個人信息。 同時，為了能確?；颊叩碾[私，同時能為醫療研究提供醫療數據，我們將患者信息與診療病例相分離，分別存在信息數據庫和病例數據庫中，患者可通過uid和MAC(id) 值分別從數據庫中找到個人信息和個人病例信息生成個人病例，同時醫療機構可以從病例數據庫中利用病例數據進行分析。 通過這樣的設計，我們可以在確?；颊叩牟v信息不被泄露的情況下，為醫療機構提供大量醫療數據進行分析。

4 功能設計

本系統主要涉及以下五個基本功能:病例信息同步化管理、醫學難題資源共享、轉接診信息管理、醫院專業化信息點評、醫療捐助管理。 同時為了符合綜合性醫療系統服務要求，又嵌入了許多基礎性功能，如系統主頁查詢、醫療論壇討論、醫療專家、設備等信息查詢、系統個人主頁等功能。

圖6 信息存儲模塊結構圖

病例信息同步化管理借助于區塊鏈技術實現病人病例的儲存、查詢、共享，目前大多數醫療機構采用的均為中心化的醫療系統，這種傳統的醫療系統將患者的信息局限到中心的數據庫中，患者本身難以及時調用，若發生醫師更換，轉換醫院的情況，新的救治主體無法及時有效得到病人的基本病例。 同時一位患者在轉診時， 往往無法提供以往的就診信息， 原因在于國內各醫院醫療信息大多數情況下無法共享， 而僅能通過病歷、檢驗單等極易丟失的紙質信息來實現一部分醫療信息的共享，這就給病人的救治增加了困難；而且中心化的服務器和數據庫若受到攻擊，極易損失大量信息，無法保證安全性。 而將病例信息同步化至區塊鏈中，由于區塊鏈的本身特性，可以保證資源的有效共享，安全共享以及及時查詢，為救治病人提供了便利。 圖10 和圖12 分別為電子病歷區塊鏈結構示意圖以及系統病歷頁面展示。

圖10 電子病歷區塊鏈結構

圖12 系統病歷頁面展示

我們以醫院共同生成診療數據的流程作為軟件引入區塊鏈原理流程為例，在患者查詢自己病歷時，需要使用保密卡對個人信息驗證，通過保密卡使用MAC 進行摘要的數字簽名對uid進行處理，系統會使用患者認證數據庫中的公鑰進行驗簽。 如果結果一致，則會獲得信息數據庫和病歷數據庫的讀權限，從數據庫中分別讀出個人信息和個人病例，生成個人病歷，為用戶提供了病歷的機密性和數據完整性，為數據庫提供了機密性。 圖7 給出了病歷數據讀權限的判斷流程。

圖7 病歷數據讀權限判斷流程

在患者到醫院進行就診時，患者為醫院提供過往病歷后，醫院根據過往病歷和當前病情生成病例信息s，患者和醫院分別通過保密卡使用MAC 進行摘要的數字簽名對生成的病歷信息s進行處理，系統會分別使用患者/醫院認證數據庫中的公鑰對結果進行驗簽，若結果都相同，則獲得對病例數據庫和區塊的寫權。 這為患者與醫院的認證過程提供真實性認證，為患者的病例數據提供了機密性、真實性、不可否認性保護。圖8 給出了病歷數據寫權限的判斷流程。

圖8 病歷數據寫權限判斷流程

如果發生醫療糾紛問題，可通過醫患雙方對id值的MAC 查詢對應數據表項，通過對id值的簽名查找對應區塊，通過對病例數據的再次MAC 和簽名計算，比對結果，即可知道是否存在篡改數據的情況。 可通過圖9 的方式提供數據完整性保護。

圖9 數據完整性檢驗

由于區塊鏈上保存的是用戶uid的簽名值，即使攻擊者可以知道病例信息s，也難以通過病例信息s對區塊進行反查，更難以通過區塊對應到個人。 而個人可以通過MAC 值快速找到病例數據庫中的病例信息s，同時在區塊鏈上查找Sigu(uid)，即可快速查找到個人病例區塊，再通過對病例信息s進行 MAC 后簽名得到Sigu(MACu(s))，同區塊鏈中的數據對比即可判斷是否被篡改。

病例數據庫上存儲的是用戶uid的MAC值，由于MAC 值具有單向性，攻擊者難以根據MAC 信息反查到uid。 但醫療機構卻可以通過相同的MAC(uid) 值來判斷出病例數據庫中哪些病例來自同一個患者，有助于醫療機構對病患

建立模型進行大數據分析。 同時，公眾也可以通過相同的MAC(pid) 建立模型，分析出醫院的醫療水平。

圖11 系統技術構架展示

5 功能測試

5.1 醫學難題資源共享

醫學難題資源共享利用區塊鏈的技術做支撐形成系統功能，為醫學研究提供便利。 現代醫療系統相對封閉，對于許多疑難雜癥的治愈記錄更是封閉，醫療界無法及時有效獲取這些疑難雜癥的信息，且這些珍貴的醫學材料往往會由于封閉性導致長期無人問津；同時現代醫療系統不支持不同系統內的醫生與醫生的溝通對話，使得所遇到的難題無法得到共享，從而發生醫學難題遺失等情況。 而此處提出的所支持的醫學難題資源共享功能設計思想是該系統能夠將珍貴的治愈記錄，醫學奇癥記錄到聯盟鏈中供所有已經認證的主體進行研究和借鑒，同時可以考慮將此功能與大數據分析，人工智能相結合，從而在所共享的信息中找到問題的突破點。

5.2 轉接診信息管理

圖13 難題共享頁面展示

轉接診信息管理將病人的轉移、接收等不同機構之間存在交接的信息存入到區塊鏈中，建立完整的轉移、接收的信息歷史追尋功能，方便進行快速有效的即時治療，簡化了轉院手續；同時也嵌入交易系統，因為目前的醫療系統存在服務費與價值費不平衡、管理精算風險高以及維護現有EMR(Electronic Medical Record，電子醫療記錄)開銷大等問題，給轉接帶來了較大的麻煩，將交易系統信息嵌入鏈中，可以保護用戶的知情權和業界的認證權，在一定程度上減輕了風險的危害性。

5.3 醫院專業化信息點評

醫院專業化信息點評以獨立醫院為結點信息，將醫院的服務、水平等相關信息記錄到區塊鏈中，使得所有合法民眾有權訪問并反饋評價信息，待評價信息達到一定數量，可以將對醫院有建設性作用的建議和對其他患者有用的信息隨醫院信息記錄到區塊鏈中，做到醫院版的“大眾點評”。

5.4 醫療捐助管理

圖14 轉接診信息管理頁面展示

圖15 醫院專業化信息點評

圖16 醫療捐助管理

醫療捐助管理基于區塊鏈實現點對點捐助、多方認證等功能，傳統的捐助系統借助于紅十字會和社會慈善機構，醫院系統往往不設立單獨的捐助功能，而本系統將捐助功能加入，利用區塊鏈的分布式、去信任、公開透明、不可篡改、可追溯、集體維護和保護隱私的特點，實現高質量捐助；同時也支持多種物資捐贈，金錢、醫療設備均可納入信息鏈中，可以有效防止新冠狀病毒爆發初期各地紅十字會出現的物資挪用和低效工作等事件的發生。

6 性能測試

6.1 測試流程

測試流程如圖17 所示:

圖17 測試流程

6.2 測試參數

系統功能測試，本部分針對系統功能性需求設計的各個模塊進行測試，表1 至表4 展示了主要功能的測試結果。

表1 登錄頁面的性能測試

表2 輸入與連接錯誤的性能測試

表3 我的病歷頁面的性能測試

表4 醫療信息頁面的性能測試

系統非功能測試，對系統底層搭建框架的正確性進行測試，也包括并發測試等，研究系統的性能，為未來優化提供依據。

將其中一個節點在本地啟動，本地硬件開發環境見表5:

表5 本地節點硬件開發環境

使用Postman 接口測試工具(版本9.0.3)，對添加病歷功能的API 進行測試。 服務節點與測試機處于同一局域網段下， ip 地址為192.168.43.200，端口為8081。

測試機通過post 方法發送json 格式的病歷數據數據內容如圖18 所示；經過服務節點計算，可以求出簽名值與Hash 值，并以json 格式正確返回。

圖18 發送數據內容

圖19 返回數據內容

同時使用常用壓力測試工具Apache JMeter(版本5. 4. 1)對系統中常用API 進行性能測試，針對上文中的功能性需求，分別模擬50、100、200、500 和1000 個用戶同時對服務節點發送請求。 根據JMeter 性能測試工具提供的數據報告，本文計算了在不同并發數情況下各接口的平均響應時間，主要繪制圖如表圖20 所示。 區塊鏈系統測試數據見表6。

圖2 系統結構圖

圖20 接口平均響應時間

表6 數據表

7 應用方向

7.1 優化并發展中心化病歷系統

由于工作疏忽或者醫生本人醫德不堪導致的信息的泄露和篡改極易發生，而將病例信息同步化至區塊鏈中，由于區塊鏈的本身特性，可以保證資源的有效共享，安全共享以及及時查詢，為救治病人提供了便利。 故未來本系統可以優化并發展中心化病歷系統。

7.2 提供新型鏈條式醫學難題數據庫

醫學難題資源共享利用區塊鏈的技術創造系統功能為醫學研究提供便利，我們所支持的醫學難題資源共享功能能夠將珍貴的治愈記錄，醫學奇癥記錄到鏈中供所有已經認證的主體進行研究和借鑒，同時我們考慮將此功能與大數據分析，人工智能相結合，從而在所共享的信息中找到問題的突破點，實現高效治療。 在與多方技術的配合使用下，能夠提供較為高效的醫學難題數據庫。

7.3 優化傳統轉接診功能

轉接診信息管理將病人的轉移、接收等不同機構之間存在交接的信息存入到區塊鏈中，建立完整的轉移、接收的信息歷史追尋功能，而傳統的轉接診是相對獨立，沒有機構或者醫療組織進行雙方對接的，這會給患者本身帶來麻煩且增加了救治轉移期，不利于患者的救治工作，而去中心化、多方參與的轉接診系統便可以做到相對一體化高效的轉移，故在未來本系統將優化傳統轉接診功能。

7.4 提供區塊鏈支撐下的綜合性醫療系統服務

本系統從實際需求出發，立足現實，引入區塊鏈底層技術以支撐新型醫療系統，且在該基礎上嵌入原有醫療系統的合理化成分，去粗取精，保留精華，同時可拓展性良好，便于新的功能引入，在底層技術的支持下前端部分交互性良好，經過了性能測試考驗、功能測試考驗，具有現實性，未來可以在區塊鏈支撐下形成更加綜合的醫療系統服務體系。

8 結語

全國各地初期在應對疫情防控物資管理方面都相繼曝出許多問題，針對這種在應急情況下的醫療資源管理系統相對不完善，不緊湊的情況，我們基于區塊鏈技術，結合實際情況，旨在提出和開發新型醫療資源管理系統。 對于此種新型管理系統，我們的定位是具有良好的適應性和優秀的應急性，在平常的醫療資源管理系統的基礎上增加創新區塊，爭取更加完善。

區塊鏈技術具有分布式、去信任、公開透明、不可篡改、可追溯、集體維護和隱私維護的特點。在搭建底層區塊鏈網絡時，采用國密算法SM2、SM3 以及混合共識機制(DPOS+PBFT)。 交易鏈上的交易信息角色申請成為網絡中的共識節點，共同維護整個網絡中的運作，交易信息及區塊信息的驗證及發布均在該層進行。

區塊鏈技術可以使人們快速建立信任關系，在區塊鏈上的交易是可以點對點完成的，消除了醫療從事者對第三方的需求，這意味著醫療系統和非營利性機構將不再依靠其他機構，如銀行、律師和政府等實體機構。 區塊鏈技術可以使捐贈的環節變得更加公開透明，每一次捐贈都會直接記錄在分布式賬本數據庫中，可以確保捐款人對自己資金的流向清楚明白可查詢；既然記錄公開透明可查詢，那么不可篡改的特性也就能確保財務信息不會被篡改；可匿名性還能保護捐款者的隱私，那么醫院或者慈善機構就可以更加安全快速地得到捐助。