基于区块链技术的电子医疗数据共享研究综述

邱硕，丁润宇，柳亚男，阎浩，张正

摘要：电子医疗记录（EMR）是当前提高医疗服务质量和降低医疗成本的关键。数据量的快速增长使得云计算存储服务被广泛应用。但这种集中化外包存储使得数据不再被数据所有者直接管理，增大了数据泄露与被篡改等风险。区块链的去中心化、可溯源、隐私保护等特性为解决上述问题提供了可能。该文总结了现有的基于区块链技术的电子医疗数据共享方案和模型，并对其进行分类评述。最后，阐述了区块链技术在电子医疗应用中所面临的挑战和未来展望。

关键词：电子医疗记录;区块链;数据共享;隐私保护

中图分类号：TP311    文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2021）34-0007-03

1 引言

随着计算机技术的高速发展，电子医疗病历（Electronic Medical Record， EMR）通过将患者信息电子化，已经成为现代医疗服务不可或缺的工具。电子医疗是指将现代计算机技术、信息技术融合，以实现整个医疗过程的数字化的一种方式[1-3]，它是改善医疗服务质量、加速生物医学发现和降低医疗成本的关键方法[4]。

EMR提供的多种规范化的模板及辅助工具，可以将医生从繁琐重复的病历书写工作中解脱出来，使他们集中精力关注对患者的诊疗[5]。EMR中长期保存着患者健康管理过程产生的所有信息，除了包括如姓名、电话、住址、联系方式等，还包括如病史记录、检查结果、健康诊断记录等等[6-7]。EMR中大多数都属于不希望被外人所知的敏感信息，一旦这些信息被泄露，可能使病人遭受社会负面评价、歧视侮辱等不良影响。更值得注意的是，世界卫生组织已将个人电子医疗记录信息定义为资产，进而强调了EMR中数据的重要价值[8]。

区块链技术的去中心化、防篡改、可追溯、隐私保护的分散管理特性，为解决电子病历中数据存储和共享的安全性问题提供了解决路径[9]，它的去中心化存储不仅解决了上述云端数据风险的问题，也促进了EMR数据之间的安全共享，大大提高数据的使用价值。同时，由于EMR数据本身的敏感性，如何在保障数据高效共享的前提下实现敏感信息的隐私保护，也是当下国内外研究的热点课题。

本文首先介绍了区块链技术相關的基础知识，针对基于区块链技术的医疗数据共享模型进行了简要介绍。根据现有工作文献，从数据隐私保护与安全共享层面进行了总结分析，最后对未来所面临的挑战与研究方向进行了展望。

2 相关知识

2.1区块链

区块链作为一种分布式架构，独有的公开验证、不可篡改等特点在电子医疗数据共享等医疗健康领域中的应用取得了重要进展。区块链的去中心化与不可篡改等特性，使得它可以在不依赖于第三方可信机构的条件下建立对等实体之间的信任传递，不仅可以提高交易效率还可以大大降低交易成本。区块链技术的去中心化、不可篡改和不可伪造等特点，不仅实现了数据共享安全的同时也解决了数据溯源的问题。

2.2共识算法

共识算法可以被定义为一个通过区块链网络达成共识的机制。区块链作为一个分布式系统，并不依赖于一个中央机构，而是由分布式节点全票通过来实现交易。由于网络延迟等各种原因导致各节点处理先后顺序有一定的差别。区块链的共识算法就发挥了重要作用，它保证了协议规则的正常执行。目前，常用的共识机制主要有Pow工作量证明机制、Pos权益证明机制、DPos股份授权证明机制、PBFT实用拜占庭容错机制等。

2.3智能合约

智能合约指的是一种数字化的特殊约束协议，主要是为区块链交易过程中提供约束、验证信息等作用。在无第三方的条件下，通过智能合约可以实现交易过程中的可追溯、不可逆转以及安全的交易，是区块链去中心化的主要原因。智能合约中包含了区块链上交易的所有信息，一般只有满足对应要求的节点才能够执行交易操作。智能合约交易效率高、不可逆转以及安全交易等特性，使其被广泛应用于数字化领域中，如比特币、以太坊等。

3 基于区块链技术的医疗数据共享模型与方案

3.1 EMR共享系统模型

如图1所示，EMR数据共享系统模型主要由数据所有者、数据请求者、医疗机构、数据中心以及联盟链五个实体组成：（1）数据所有者：医疗数据的产生者即患者;（2）数据请求者：医疗数据的使用者即数据用户;（3）医疗机构：医疗数据的创建者与保管者;（4）数据中心;（5）联盟链：联盟链节点由各医疗机构、保险机构、医疗研发机构等部分组成，链上用来存储医疗元数据，以此防止数据被泄露和篡改。

EMR数据共享系统模型主要流程如下：患者到医院就诊并将个人信息发送给医疗机构，医疗机构对数据记录进行加密传送到云存储中心，同时将医疗元数据上传至联盟链，其中医疗元数据中包含一些摘要信息。当需要共享医疗数据时，数据用户向联盟链发送数据请求，联盟链根据患者提供的访问控制权限进行响应，并向被授权的请求做出响应，将相应元数据发送给用户。最后，数据用户根据元数据从数据中心下载加密数据。

3.2 EMR数据共享方案总结

目前已有大量的工作是基于区块链技术实现的EMR数据共享，本文主要从隐私保护以及功能性进行了总结分析。

（1）隐私保护

Dong等人[11]提出了一种由一条主链、多条从链构成的多链区块链模型，解决了传统医疗数据采用中心化储存方式时存在数据泄露和被篡改的问题，该模型在保护患者敏感医疗数据的同时显著降低了计算量。Wu等人[12]通过对患者电子医疗数据中的敏感信息进行数据脱敏，再对其进行加密，然后将其存储到区块链以及外包存储系统中以保证敏感数据的隐私性。Zhang等人[13]提出医疗数据链，主要通过拜占庭容错算法来防止医疗数据被篡改。He等人[14]提出了一个基于私有链和联盟链的医疗数据存储方案，将EMR数据安全地储存在私有链中，而将关键词索引保存在联盟链中，从而有效降低医疗数据泄露的风险。Liu等人[15]基于可搜索加密机制对医疗数据进行加密，有效地实现患者与医疗机构之间数据的便捷检索，同时降低了数据被泄露的风险。Zhai等人[4]对用户加密的电子医疗数据建立安全索引，结合代理重加密技术与分布式密钥管理技术，实现对患者敏感信息的隐私保护。

ElRahman等人[16]通过区块链技术处理边缘计算的各种安全性挑战。Yang 等人[17]结合区块链与数据审计技术实现了医疗云数据的安全存储与共享，同时实现了数据与用户身份的隐私保护。另外，对于EMR数据共享过程的数据可扩展性受限的问题，Li等人[18]提出一种基于分片技术的区块链扩容共享方案，该方案提高了病人对自己敏感数据的掌握度，并且显著提升了检索效率。

（2）数据共享性

在已有的文献中，主要在云存储的基础上采用区块链技术与访问控制等安全技术相结合的方法，确保共享数据的对方是受信任的、安全的，实现医疗数据的高效、安全共享。Yang等人[19]结合属性加密与区块链机制，将大部分复杂的密文操作外包给云服务器，大大降低了用户端的计算开支，同时保证了数据的隐私性。Zhe等人[20]对患者医疗信息的敏感度进行分级和访问管理，实现了患者医疗数据对医疗机构的上传以及对其他用户的共享。Zhang等人[21]结合属性加密，利用CP-ABE加密电子医疗数据，实现对病人数据的细粒度访问控制。Ekblaw等人[22]结合区块链中的智能合约技术，通过设置访问控制权限，实现了不同医疗机构中的数据共享。Shen等人[23]利用智能合约机制管理EMR数据的访问权限控制，实现数据的安全共享。Zhou等[24]将智能合约和密文策略属性加密技术相结合，实现具有时间维度的细粒度访问控制，进一步确保了医疗数据在共享时的安全。

如何在保证对医疗数据的较高利用率，挖掘数据价值的同时，切实保护用户隐私，是目前医疗研究领域的关键问题。利用区块链技术在实现电子医疗高效共享还仍然不少困难问题：

1）由于区块链自身的性能限制，目前大多数的区块链系统不能提供高吞吐率以及高可伸缩性来满足当前的大数据量或大交易量的处理需求;

2）由于电子医疗数据的潜在价值较大，如何使不同的医疗机构之间安全高效地实现电子医疗数据的共享是目前比较热点的研究问题之一。

3）在密钥安全的前提下，依靠区块链技术可以完成数据的全程不可逆、不可伪造，而密钥是由用户生成且保管的，没有第三方参与。一旦密钥丢失，则无法对账户数据进行任何操作。

以上概括總结了目前区块链技术在电子医疗共享中遇到部分困难问题，也是我们未来需要探讨的研究方向。

4 总结

本文根据现有的文献，对电子医疗记录的数据安全共享进行了总结与分析。由于基于云计算集中化存储的EMR数据共享中存在着数据泄露和被篡改等信息安全问题，而具有去中心化、分布式存储特性的区块链技术能够有效避免上述弊端。本文分析了区块链技术在EMR数据共享领域的优势，同时针对区块链技术应用于医疗数据共享中存在的问题，本文也做了系统性的分类分析与总结。最后，也针对目前存在的部分有待研究的问题进行了梳理，这对推动区块链技术在电子医疗领域的研究发展具有极大的推动作用。

参考文献：

[1] 徐健，陈志德，龚平，等.基于区块链网络的医疗记录安全储存访问方案[J].计算机应用，2019，39（5）：1500-1506.

[2] 侯伟涛，姬东鸿.基于Bi-LSTM的医疗事件识别研究[J].计算机应用研究，2018，35（7）：1974-1977.

[3] 王远朋，陈健美.双水印模型在医疗信息管理中的应用[J].计算机应用与软件，2015，32（1）：289-293.

[4] 翟社平，汪一景，陈思吉.区块链技术在电子病历共享的应用研究[J].西安电子科技大学学报，2020，47（5）：103-112.

[5] Ivan D. Moving toward a blockchain-based method for the secure storage of patient records[C]//ONC/NIST Use of Blockchain for Healthcare and Research Workshop. Gaithersburg， Maryland， United States： ONC/NIST.sn，2016：1-11.

[6] 艾佳欢，贾梦倩，纪艳艳，等.区块链技术在医疗领域的应用研究[J].中国市场，2021（19）：42-43.

[7] Dasaklis T K，Casino F，Patsakis C.Blockchain meets smart health：towards next generation healthcare services[C]//2018 9th International Conference on Information，Intelligence，Systems and Applications （IISA）.July 23-25，2018，Zakynthos，Greece.IEEE，2018：1-8.

[8] 薛腾飞，傅群超，王枞，等.基于区块链的医疗数据共享模型研究[J].自动化学报，2017，43（9）：1555-1562.

[9] Cao S，Zhang G X，Liu P F，et al.Cloud-assisted secure eHealth systems for tamper-proofing EHR via blockchain[J].Information Sciences，2019，485：427-440.

[10] Mettler M.Blockchain technology in healthcare：The revolution starts here[C]//2016 IEEE 18th International Conference on e-Health Networking，Applications and Services （Healthcom）.September 14-16，2016，Munich，Germany.IEEE，2016：1-3.

[11] 董婉婷.基于區块链技术的医疗信息安全策略构建与实现[J].电子设计工程，2021，29（15）：63-67.

[12] Wu S H，Du J.Electronic medical record security sharing model based on blockchain[C]//Proceedings of the 3rd International Conference on Cryptography，Security and Privacy - ICCSP '19.January 19-21，2019.Kuala Lumpur，Malaysia.New York：ACM Press，2019：19-211.

[13] 张超，李强，陈子豪，等.Medical Chain：联盟式医疗区块链系统[J].自动化学报，2019，45（8）：1495-1510.

[14] 贺智明，徐亿达.区块链与可搜索加密结合的电子病历共享方案[J].计算机工程与应用，2021，57（21）：140-147.

[15] 刘格昌，李强.基于可搜索加密的区块链数据隐私保护机制[J].计算机应用，2019，39（S2）：140-146.

[16] ElRahman S A，Alluhaidan A S.Blockchain technology and IoT-edge framework for sharing healthcare services[J].Soft Computing，2021，25（21）：13753-13777.

[17] 杨明，丁龙，许艳.基于区块链的医疗数据云存储共享方案[J].南京信息工程大学学报（自然科学版），2019，11（5）：590-595.

[18] 李莉，吴怡，杨祉坤，等.基于分区型区块链医疗电子病历共享方案[J/OL].计算机应用：1-10[2021-09-15].http：//kns.cnki.net/kcms/detail/51.1307.TP.20210629.0924.002.html.

[19] Yang X D，Li T，Pei X Z，et al.Medical data sharing scheme based on attribute cryptosystem and blockchain technology[J].IEEE Access，2020，8：45468-45476.

[20] 褚孝鹏.区块链技术在医疗数据存储方面的应用研究[J].信息技术与信息化，2020（6）：155-157.

[21] 张磊，郑志勇，袁勇.基于区块链的电子医疗病历可控共享模型[J].自动化学报，2021，47（9）：2143-2153.

[22] Ekblaw A， Azaria A， Halamka J D， et al. A Case Study for Blockchain in Healthcare：“MedRec” prototype for electronic health records and medical research data[C]//Proceedings of IEEE open & big data conference.2016，13：13.

[23] Shen B Q，Guo J Z，Yang Y L.MedChain：efficient healthcare data sharing via blockchain[J].Applied Sciences，2019，9（6）：1207.

[24] 周正强，陈玉玲，李涛，等.基于联盟链的医疗数据安全共享方案[J].应用科学学报，2021，39（1）：123-134.

【通联编辑：梁书】