發布時間：2020-02-29所屬分類：醫學職稱論文瀏覽：1次
摘 要： 摘要根據醫療行業現狀，不難發現各醫療機構間共享數據困難，因為醫療數據的校驗、保存和同步一直是一個難點.病人、醫生以及研究人員在訪問和共享醫療數據時存在嚴格的限制，這一過程需要花費大量的資源和時間用于權限審查和數據校驗.本文提出一個基于區塊鏈
摘要根據醫療行業現狀，不難發現各醫療機構間共享數據困難，因為醫療數據的校驗、保存和同步一直是一個難點.病人、醫生以及研究人員在訪問和共享醫療數據時存在嚴格的限制，這一過程需要花費大量的資源和時間用于權限審查和數據校驗.本文提出一個基于區塊鏈的醫療數據共享模型，具有去中心化、安全可信、集體維護、不可篡改等特點，適用于解決各醫療機構數據共享的難題.本文詳細介紹了模型的組件以及實現原理.將現有醫療機構進行分類，配合使用改進的共識機制實現了方便、安全、快捷的數據共享.此外，通過對比醫療數據共享存在的問題，分析了本模型的優勢以及帶來的影響.
關鍵詞醫療數據，區塊鏈，共識機制，共享模型
目前全球解決醫療健康信任問題的應用很少，主要由于醫療記錄的校驗、保存和同步一直是一個難點.當病人、醫生在訪問和共享醫療數據的時候會受到嚴格的限制，需要花費大量的資源和時間進行權限審查和數據校驗.這使得用戶獲得醫療數據十分困難，每次使用時需要向類似于健康信息交易所(Healthinformationexchange，HIE)和全員人口數據庫(APCD)這樣的組織機構提交申請.整個響應過程存在很多問題，例如響應緩慢、數據可被篡改、數據傳輸不安全等.這些都嚴重阻礙了智慧醫療和醫療大數據的發展.
截止到2015年，至少有10%的醫療記錄實現了電子化存儲，較2008年有90%的增長l](圖1).2011年全部類別的醫院超過20%都開始建設基礎的電子健康記錄系統(Electronichealthrecordsystem，EHRS)(圖2).這說明醫療數據信息化已經相對成熟，例如類似于EHRS的還有醫院信息系統(Hospitalinformationsystem，HIS)、放射科信息管理系統(Radioinformationmanagementsystem，RIS)、醫學數字成像和通信系統(Digitalimagingandcommunications，DICOM)、影像歸檔和通信系統(Picturearchivingandcommunicationsystem，PACS).這些系統都被設計用來解決醫療信息存儲和共享等問題.然而區塊鏈技術的誕生，改變了這種醫療數據集中存儲，需通過組織機構完成權限審查和數據校驗的結構，提出了一種可去除中間機構、增加數據安全性、節約時間和成本的全新模式.
區塊鏈技術[2l可以幫助醫生、病人和研究人員快速安全地認證權限，實現自由的數據訪問和分享.
因此，目前區塊鏈在醫療領域的應用和研究備受關注，世界上許多公司和研究機構均參與其中.位于瑞士的Healthbank公司是全球數字健康的創新者，通過區塊鏈采用透明化的方式處理健康系統的事務，保證了健康數據存儲的絕對安全].GemHealth聯手飛利浦區塊鏈實驗室構建了一個包含區塊鏈的健康生態系統，推動全球醫療一體化，使得醫療健康更加個性化和平民化[.飛利浦醫療與Tierion公司成立新的科研項目，研究區塊鏈技術是否可以增加醫療健康產業中數據交換的價值.Bithealth機構研究如何采用區塊鏈記錄和認證全球的醫療健康數據.
本文介紹和設計了一個基于區塊鏈的醫療數據分享模型(Medicaldatasharemodel，MDSM)，幫助解決醫療數據存儲集中、安全共享難、數據可信度過度依賴組織機構等問題.實現去中心化、安全、不可篡改的醫療數據分享。該模型的主要特點有：
1)醫療機構聯盟服務器群(Medicalinstitutionfederateservers，MIFS)和審計聯盟服務器群(Au-ditingfederateservers，AFS)：根據醫療資源分布的現狀可以發現，主要的醫療信息服務和主要的數據存儲節點都部署在大醫院或者核心醫療機構.因此可以將醫療機構劃分等級，高等級的機構節點加人MIFS成為代理，第二等級的機構加入AFS作為審計校驗的節點.模型中采用改進的股份授權證明機制(Delegateproofofstake，DPOS)實現節點之間的共識.
2)醫療記錄存儲結構：自定義一套層級存儲結構，可以高效方便地傳播.最后將所有數據的Merkle根錨定到比特幣區塊鏈，實現真正的不可篡改和不可抵賴.
3)分布式數據庫系統(Distributeddatabasesystem，DDBS)：醫療數據文件將加密存儲在數據庫中，解決了數據集中存儲在各個醫療機構的數據服務器上的問題，同時也減輕了區塊鏈上的數據存儲和高頻訪問的壓力.
本文內容安排如下：第1節介紹基于區塊鏈的醫療領域的研究情況以及相關技術介紹;第2節詳細闡述醫療數據共享模型的各環節;第3節通過與現有問題的對照以及其他模型的比較進行模型評估.第4節對本文工作的總結和展望.
相關期刊推薦：《自動化學報》是由中國科學院主管，中國自動化學會、中國科學院自動化研究所共同主辦的高級學術期刊。本刊于1963年創刊，1966年�？�，1979年復刊，現為大16開本，月刊，每期112頁�？茖W出版社與Elsevier合作出版，國內外公開發行�？d自動化科學與技術領域的高水平理論性和應用性的科研成果，內容包括：1)自動控制;2)系統理論與系統工程;3)自動化工程技術與應用;4)自動化系統計算機輔助技術;5)機器人;6)人工智能與智能控制;7)模式識別與圖象處理;8)信息處理與信息服務;9)基于網絡的自動化等。學報編輯委員會由世界各地自動化領域的權威學者組成，編輯部設在中國科學院自動化研究所[2]。
1相關工作
目前，關于區塊鏈的研究很多，但結合醫療領域的研究相對較少，方向主要有醫療信息保護、醫療支付、醫療數據應用、醫療數據存儲分享、醫療信息交易、預測分析等.區塊鏈技術的快速發展引起了政府部門、金融機構、企業和資本市場的廣泛關注.為推動區塊鏈技術和產業發展，國務院工業和信息化部信息化和軟件服務業司指導中國電子技術標準化研究院，聯合螞蟻金融云、萬向控股、微眾銀行等骨干企業，開展區塊鏈技術和應用發展趨勢專題研究，發布了《中國區塊鏈技術和應用發展白皮書(2016)》5].Lvan等提出了一個基于區塊鏈安全存儲病人醫療記錄的方法1問.Shrier等提出采用美國麻省理工學院的OPAL/Enigma加密平臺，配合區塊鏈技術可以創建一個用于存儲和分析醫療數據的安全環境[.Kuo等采用區塊鏈私鏈網絡技術，創建了一個跨機構的醫療健康預測模型(8).Ekblaw等提出一個新穎的去中心化電子病歷管理系統9l.還有一些研究對使用區塊鏈存儲電子病例I9-101和健康相關事務1]進行了評估.對比發現國內區塊鏈結合醫療領域的研究剛剛起步，國外的研究相對更多.我們創新地提出并設計了基于區塊鏈的醫療數據共享模型.
1.1區塊鏈和股份授權證明機制(DPOS)
目前尚未形成一個公認的區塊鏈定義.狹義地講，區塊鏈是一種按照時間順序將有效數據區塊以鏈式形式組合而成的數據結構，并通過密碼學方式保證不可篡改和不可抵賴的、可附加的去中心化共享總賬fDecentralizedsharedledger).廣義的區塊鏈技術則是利用加密鏈式區塊結構來驗證與存儲數據、利用分布式節點共識算法來生成和更新數據、利用自動化腳本代碼(智能合約)來編程和操作數據的一種全新的去中心化基礎架構與分布式計算范式[12].區塊鏈的基本原理簡單易懂，包括三個主要組件：
1)電子交易：記錄賬本的變化.任何類型的有效交易信息都會通過數字化或加密方式來確保準確性和真實性.
2)區塊：一個存儲所有交易信息的數據結構，包括區塊頭和區塊體.
3)鏈：包含按時間順序生成的區塊，記錄狀態的改變.DPOS被稱為是更有效、更去中心化、更靈活的共識機制[12].它允許所有的股東節點都具有投票權，通過公平民主的方式票選出101個權益代表.并可以在后續過程中根據代表的表現自由重投選票.有效地降低了參與記賬節點的數量，實現快速共識驗證.DP0S的基本工作思路是：
1)每一個股東節點都需要把票投給信任的代表.得票數最高的且愿意成為代表的前101個節點將輪流記賬生成新的區塊.
2)如果授權代表生產了錯誤的區塊或者錯過了簽署新區塊，那么將由下一個代表代替完成.并有可能被股東節點投出代表席.
3)想成為代表，需要在網上使用公鑰注冊一個32位的唯一編碼，每一條記錄的頭部會引用這個標識數字.
4)每一個股東都有一個表現指示器來記錄代表的行為.如果錯過很多個區塊的簽署或者簽署過錯誤區塊，指示器會建議選取別的代表.
1.2哈希算法與Merkle樹
哈希算法是一項在通信領域很基本也很重要的技術.通過數學算法將大小不一致的數據映射成固定大小的字符串.從另一個角度看，加密的哈希算法是一個單項函數，即可以很容易地計算出數據的哈希值，但反過來根據哈希值很難推算出原數據，這一特性對于區塊鏈非常重要.Merkle樹是一個基于哈希算法的數據結構，它的特點是每一個非葉子節點都是其葉子節點的哈希值[13].在點對點的網絡中，可以使用Merkle樹來驗證數據是否被篡改或接收到的數據是否損壞.在區塊鏈中生成的所有記錄通過Merkle樹的哈希過程生成唯一的Merkle根，存儲在區塊鏈的頭部.
2醫療數據共享模型
醫療數據共享模型包括許多重要的組件，如圖3所示.
根據醫療行業現狀，我們設定用戶分為不同的類型：完備級、輕量級和普通用戶.其中輕量級的用戶將使用網站或者移動應用查看他們的醫療數據并且可以授權或撤銷數據的訪問權限.我們將用戶使用的客戶端分為3個類型：
1)完備級客戶端：存儲所有記錄(醫療機構可以提供接口對外服務);
2)輕量級客戶端：不保存記錄，需要向其他節點或者MIFS查詢(醫療機構可以提供查詢接口，個人用戶可以完成授權等操作);
3)在線客戶端：網頁模式瀏覽，例如，用戶在醫療機構就診結束時申請數據記錄上傳，醫院會通過完備級的客戶端對MIFS申報.當用戶再次就診時可以通過輕量級客戶端授權查詢獲得自己的歷史記錄.在線客戶端則是為用戶提供簡單自查閱的服務.
行業背景研究發現，醫療大數據中心基本都建設在重點醫療機構.小規模的醫療機構一方面流量小，產生的醫療數據少;另一方面數據中心建設也不夠完善，沒有很強的數據處理能力.因此我們設計了MIFS和AFS兩套聯盟服務器群，配合使用改進的DPOS共識機制，可以有效地利用當前醫療機構現狀實現去中心化、安全、快捷可追溯的醫療數據共享.此外，很多醫療數據文件體積較大，例如病人的住院記錄文檔、處方、醫療視頻和圖片等，這類數據將使用所有者的公鑰加密存儲在分布式數據庫中.為了保證記錄內容可信、未篡改，模型記錄所有醫療數據的摘要并采用分層機構存儲.將數據哈希值存放在Item結構中，再計算出每個Item的哈希值放人Item塊結構中，這樣做可以有效減少搜索空間，加快用戶對記錄的校驗速度.
如圖4所示，數據塊由多個Item塊構成，層層計算哈希值會得到這一數據塊的Merkle根，每1分鐘進行一次.由于比特幣區塊鏈采用工作量證明機制(Proofofwork，PoW)，穩定在每10分鐘生成一個區塊，所以在模型中每10分鐘凍結數據，由MIFS中的當值代表提交生成的Merkle根到比特幣區塊鏈中，形式類似=�。禾峤灰还P比特幣交易.這樣可以實現真正意義上的不可篡改，因為比特幣區塊鏈相對于我們的模型更具公信力.每個Item塊都存儲Iteln的哈希值以及一個頭部信息(如圖5)，這樣不僅利于每個塊在點對點網絡的傳播，也減少了數據校驗的成本.每個Iten1中可存儲l0條醫療數據，每條都包含三個信息：數據所有者公鑰、元數據、數據摘要.
2.1醫療數據存儲機構Item和Item塊
與比特幣類似，在Item中存儲的每條醫療數據不得大于100KB，因此在用戶不愿對數據加密且數據量很小的情況下，數據摘要部分可以存儲醫療數據原文.數據類型可能是一個鏈接、一段文本、一個小圖片或者一小段檢驗視頻等.另外當用戶希望數據加密或醫療數據文件很大時，解決方案是一邊計算數據摘要并將其存儲在Item中，一邊將文件加密存儲在分布式數據庫系統中.這樣做使得Item中的數據摘要不僅可以對數據進行完整性校驗，同時可以作為在數據庫中查找數據的索引.作為綁定用戶的唯一標識，公鑰字段則可以很方便地查到某用戶發布的數據記錄以及是否擁有訪問權限.元數據部分存放數據的電子資源，例如生成時間戳等信息.
2.2醫療機構聯盟服務器、校驗聯盟服務器和改進的DPoS
現階段我國對醫療機構的評級采用衛生部1994年印發的醫療機構基本標準))和1989年印發的《醫院分級管理辦法))，從硬件條件、社會效益、服務質量等多個維度進行評估，百分制評分.本模型采用這套評分體系作為評價醫療機構的依據.DPOS共識機制采用投票的方式選出101個權益代表，但這種方式應用于醫療數據共享模型有明顯的問題.這樣的初始化不能保證選出的權益代表是具有影響力的醫療機構，不具備提供記賬、查詢等服務的能力.模型改進了DPOS的初始化方法，根據現階段國家對醫療機構的評級和信息中心的配置規模將醫療機構進行初始排名，排在前101位的信息中心被指定為MIFS中的一員，輪流負責把提交上來的請求記錄到Item中并用自己的私鑰簽名.這類醫療機構包括高級別醫院(三甲)、婦幼保健院、急救中心、高級別臨床檢測中心等.排在第101位之后的20位被指定為AFS，輪流校驗每個被簽署的區塊是否真實有效.其余的醫療中心使用完備的客戶端向用戶提供服務.這樣有效地解決了醫療數據共享模型初始化無效的問題.醫療機構排名的依據被稱為信用積分，積分的高低代表了醫療機構積的綜合實力，可以為負數但不能轉贈和退還.MIFS和AFS中的節點對外提供服務可以增加信用積分.如果MIFS中的節點簽署無效區塊或者作假會丟失信用積分，積分低于閾值將被踢出MIFS，由AFS中積分較高的節點填補.同樣地，AFS中的節點錯誤審計、作弊等也將扣除信用積分.信用積分的加入充分調動了醫療機構主動參與評審的積極性，也將成為評估醫療機構的重要依據.因為各大醫療機構本身具備很強的公信力和政府背書，同時可以方便直接地將授權的醫療數據進行處理，所以將其初始設定成101個權益代表節點是十分合理的.下面是MIFS具體工作過程：
步驟1.用戶提記錄請求，并提交公鑰作為標識.
步驟2.某代表節點接受請求.
步驟3.某代表節點廣播已接受請求.
步驟4.用戶提交記錄，如果不希望公開數據，使用公鑰對數據進行加密.
步驟5.當值的代表節點根據用戶公鑰將記錄添加入Item.
步驟6.當值的代表節點廣播Item確認信息，并將需要上傳的大文件存入分布式數據庫.
步驟7.校驗代表節點對記錄進行校驗，其他節點更新數據.
步驟8.每隔1分鐘檢查一下Itemblock的數量，達到10個則組成一個數據塊，并計算該數據塊的mertle根.
步驟9.每隔10分鐘將所有新生成的數據塊的merkle根錨定到比特幣區塊鏈.
步驟10.返回步驟1.
SCISSCIAHCI
