面向社区公卫服务的区块链管控系统
2021-05-23刘春燕欧嵬
刘春燕 欧嵬
摘要:针对现有整体的健康医疗数据存在的互联互通标准化程度低、数据安全与隐私保护不到位、数据深度挖掘和分析不足等问题,设计了一种基于区块链的社区医疗管控系统。采用Fabric框架,结合国密算法,在保证用户医疗信息隐私性的前提下,实现了医疗资源的多方创建、共享、追加更新。系统测试结果表明:在保证安全性的前提下,实现了医疗数据的智能分析、智能转诊、随访等功能,系统各性能指标符合目前区块链行业标准。与现有集中式医疗系统相比,该系统融合、联通了疾病防控、综合监督、健康教育等信息系统,促进了各医疗卫生单位公共卫生信息的共享与业务协同,实现了社区公共卫生工作的在线监督、动态管理、科学决策。
关键词:区块链;国密算法;隐私保护;医疗数据;结构化
中图分类号:TP393 文献标识码:A
文章编号:1009-3044(2021)11-0006-06
A Blockchain-based Management System for Community Public Health Work
LIU Chun-yan, OU Wei
(Department of Electronic and Information Engineering, Yongzhou 425199, China)
Abstract: In view of the existing problems of the whole health data, such as low level of connectivity standardization, inadequate data security and privacy preservation, insufficient deep mining and analysis of data, a medical management system based on blockchain for community is proposed. By using of the fabric framework and SM, on the premise of ensuring users privacy of medical information, medical resources are created, shared and updated by multiple parties. The experiment results show that on the premise of ensuring security, it realizes the functions of intelligent analysis, intelligent referral and follow-up visits. All performance indicators of the system meet the current industry standards of Blockchain. Compared with the existing centralized medical system, this system integrates the functions such as disease prevention and control, comprehensive supervision and health education, promotes the public health information sharing and business collaboration, and realizes online supervision, dynamic management and scientific decision-making of public health works on community.
Key words: blockchain; SM; privacy preservation; medical information; structured
1 背景
2020年初爆發的新型冠状病毒肺炎疫情,再次对公共卫生服务尤其是疾控和突发公共卫生事件预测和监控等方面提出了更高的要求。至2018年底,我国建立了全球范围最广的突发重大公共卫生事件以及法定报告传染病疫情的直报告系统,然而在公共卫生系统化建设上仍然和发达国家有较大差距[1]。如美国最新采用的自动电子病例报告(ECR)实现了主动监测,极大地提高了监测效率,尤其有助于流行病学的早期调查。而搭配的症状监测系统是经过持续地采集数据,并且分析设定的疾病临床症候群的发作频率数据,实时察觉疾病在空间上、时间上的异常群集,在疾病的暴发前完成早期探查、预警及快速反应,尤其在公共卫生突发事件及响应中扮演重要角色。在数据应用以支持公共卫生实践的层面上,利用现代通讯科技和可视化方法及时将监测结果和发现及时推送给不同的受众,包括地理信息系统(GIS),还有多家开发的信息报告应用软件如Tableau、IBM Watson Studio、MS Power BI、Logi、SAS等,广泛应用于公共卫生突发事件应急、传染病暴发流行、慢性病、伤害、卫生资源等方面[2]。
在此背景下,为进一步实现区域医疗卫生电子化[3]、医疗服务数字化、公卫管理网络化、信息服务智能化、安全保障一体化,提升医疗资源的整合与集中调配、构成线上管理、线下就诊的新型医疗服务的模式[4],提高智能健康监测、防范与卫生保健的水平,为此我们提出了基于区块链的医疗管控系统,以期解决医疗健康档案结构型数据自能转化、健康信息的安全传输、存储、使用及溯源等问题。
2 国内外研究现状
目前国内外很多大型机构都将区块链技术应用到医療领域[5],国外的发展相对比较快。来自国外公司的Gem Health Network特地为医疗市场设计的架构,使用太坊作为医疗区块链的框架,网络数据则通过以太坊框架的智能合约来完成自动化管理。在建立的多个医疗机构网络之中,所有的医疗机构成员都能够与合营机构进行交流讨论并共同共享相应的敏感信息,其中包含了医疗数据与认证。美国Kevin Peterson等[6]提出了更加新型的区块链共识机制,通过区块链来完成数据共享,该共识机制通过语义无误成为区块生产以及挖矿的认证。美国麻省理工的Ekblaw[7]等采用以太坊架构为开发链码的平台,实行了分布式数据管理系,该系统使用身份加密、验证和信息分布式的存储,确保了敏感医疗信息的安全,为保障系统功能的正常,可靠的运行以及维护,并同时提出了一种新颖的区块链证明机制。来自加州福利亚大学的研究者提出了一种基于区块链医疗信息保护的框架,对私有链中的信息实行人工智能详细分析,能够以密文呈现患者相关的医疗信息,在这种情景下,确定信息证明算法,采取人工智能方面的技术,提供了一种患者隐私数据保护方案[8]。Suveen、Harlan等人详细地讲解了目前提出的区块链EHR系统,并且提出区块链技术在医疗保健行业中的重大潜力,然而在实际环境的应用中依然存在一些实施阻碍,需要进一步的研究。对于医疗数据系统而言,使用区块链技术是可行的,但是存在着重大障碍挑战,例如,对于医疗保健没有适合的区块链设施,而且节点用户也不愿使用己方的算力来维护区块链医疗系统。本文章仅针对抵抗中间人攻击问题就提出了三种转移方案。一直以来,不少的研究者提出了一些有关怎样在区块链上存储电子医疗记录以及怎样抵御在区块链上的第三方攻击的解决方案。
2016年,我国逐渐意识到区块链技术所带来的巨大利益以及发展的空间,国务院发布了规范医疗领域大数据应用发展的看法主张,明确提出未经公民的许可,一律都不能将公民医疗信息违法公开。为推进医疗公共卫生的发展,促进民生经济发展,同时必须实行在医疗卫生信息共享以及作用意义[9]。2017年,来自电子科技大学夏琦等[10]提出了MeDShare方案,利用区块链技术完成了医疗信息的共享,并实现了对医疗信息验证和共享权限机制。该方案通过链码跟踪信息记录并完成了数据的溯源性能,即使出现了违法业务,能够使用智能合约来自动吊销违法分子的准入权限,从而增强了医疗系统的稳定性和安全性。2018年,董黛莹和汪学明[11]提出了在网络中医院联盟的群组节点可以注册公钥再添加到交易的数据中,用户私钥使用用户密码完成加密,以确保用户查询病例能够借助身份之类的证件;使用户可以基于档案数据的安全存储来实现用户对每一条记录的访问控制。王俊在论文中提出了一种基于互联网建立区域医疗数据控制中心为关键核心的病历共享系统,这对传统系统具有一定的应用及研究价值。唐维维也同样基于传统系统,在自己的论文中设计并实现了基于云平台的病历共享系统,该系统把组织区域中的全部病历信息存储在一个集中式数据库中。本质上来分析,该系统仍然是集中式系统,没有使用分布式管理的思想。贾大宇等提出了一种区块链数据副本分配策略,能够增强区块链数据的安全性,以及提高区块链的数据存储容量。蔡维德等开展了针对区块链可扩展性、一致性要求的深层次的研究,讨论并提出了一种新型的基于账户链与交易链的双链模型。邵奇峰等结合相关较为成熟的区块链框架(例如比特币、超级账本),详细阐述了基于区块链系统的体系结构。刘傲迪等从信息安全领域的区块链研究发展入手,总结了数据保护、访问控制和数据认证等方面的区块链研究进展。
3 关键技术
3.1 区块链技术
2016年,国务院将区块链技术列入《“十三五”国家信息化规划》,并定为战略性前沿技术。
区块链技术从诞生以来,过去了十多年。自基础设施建设、底层技术最后到行业的应用发展,国内的产业与区块链逐步健康发展。近年来,随着党和国家的密切关注以及政策的支持下,区块链应用场景再次成为大众关注的焦点。
1)区块链技术概述
从信息技术方面来看,区块链为一种非常特殊的分布式数据记录形式。记录信息有两种传统的方法:①所有参与者保留各自的账本并经常检查,这种方法的效率很低,只有多方产生分歧,就很难顺利解决;②每个参与者通过一个共同的,值得信赖的中心点,但是这种方法的严重问题为中心点是否有信誉,假设中心点恶意修改账本,则整个系统将会瘫痪。区块链技术完全能处理传统记录系统的信誉等问题,区块链通过多方一起维护账本,采用密码学确保数据传输与数据访问安全,可以使数据一致存储、不可篡改和不可抵赖性技术[12]。
通俗地理解,即使网络节点之间互相不信任,区块链可以连接网络中的所有的节点,可以确保网络中的所有节点得到的记录是真实准确的,节点直接仍然能建立可靠的交易。这对我国正在建立的信誉建设和终身责任制意义重大。鉴于区块链技术具有透明性、公开性、溯源性和不可篡改等特征,区块链技术将推进互联网行业发展,联合传统互联网进行创新,组成新一代的互联网。
区块链应用类型分为三种:①公有链,其主要特征为完全去中心化[13],所有节点加入与退出无任何阻止,账本完全公开,可在全球的范围内安全访问;②私有链,参与方通常为大型组织的内部实体,或者是各政务的内部部门,具有集中协调的机制,一般用于高成本业务;③联盟链,通常由政府或者机构发起联盟;通常具有访问机制,并且账本具有保护性能,目前,联盟链是最适合政府与机构应用情景的布局形式,并且便于监管。
2)“区块链+”和联盟链
区块链技术本身具备块链式数据结构等特征,链上信息的比传统集中式数据系统监管要困难得多[14]。目前有关区块链监管规定的核心内容有三点:①区块链所有的经营单位必须在相关的监管部门进行备案;②区块链所有的用户都要进行实名认证制;③国内所有区块链都要配有监管方。这对公有链来说是难以实现的。联盟链不仅有公有链去中心特征,联盟链的网状经济还可以扩展;联盟链还可以处理多达数千甚至数万笔交易,这具备了私有链的特征;重点在于它的准入控制较完备,这有一种利于嵌入式、责任制和穿透式的易监管形式。联盟链为我国区块链应用转到产业服务的关键技术。加快监管机制的建立以及准则化工作开展,我国区块链将各应用中更加标准规范。
我国一直踊跃探索“区块链+应用”,我国金融机构[15]以及科技型企业等不断投入“区块链+应用”,现在,区块链金融应用领域逐渐扩展到医疗和政务服务等领域。例如,政务服务的应用,各地的公积金中心使用区块链技术相互连接起来;数据的真实性、可靠性、透明性等特性通过区块链技术的底层算法来确保,并处理数据共享等问题,用户不需要跨域办理业务。区块链在新型冠状病毒疫情暴发过程中,特别是慈善捐赠、物资的物流和防控等有着重要的作用。比如,区块链企业已经发布的区块链慈善平台,用于处理信息公正以及公开等问题。
3.2 国密算法
国密即国家密码局认定的国产密码算法,主要有SM1、SM2、SM3、SM4等。
1)SM1算法
SM1算法为对称分组加密算法,密钥与分组的长度均为128比特,SM1算法是以IP核方式存储在芯片之中,SM1算法不公开,在安全保密的强度、软硬件的实现性能上,能够与AES算法相当。已经研发了采用该算法的智能密码钥匙、芯片、加密机等产品,并且被普遍地应用在电商服务、民生经济、政务服务等重要领域。
2)SM2算法
SM2为我国自主研发的椭圆曲线(ECC)公钥密码算法,用于取代我国商用密码系统中的RSA,是一种更先进的安全算法。数字签名使用SM2-1椭圆曲线数字签名算法实现,密钥协商使用SM2-2椭圆曲线密钥交换协议实现,数据加密使用SM2-3椭圆曲线公钥加密算法实现。RSA和SM2算法区别在于SM2算法是基于椭圆曲线上的点群离散对数问题,与RSA相比较,2048比特的RSA密码的强度已低于256比特的SM2密码。
SM2算法与ECC椭圆曲线密码机制类似,区别在于签名以及密钥交换不同,但是使用了安全性更高的机制。
SM2标准包括四个部分:总则、加密算法、签名算法、交换协议,每个部分附录都具体指定了有关的细节和举例。
在安全性能、速度性能等很多方面,SM2算法都优于RSA算法(RSA算法的发展早,被广泛地应用,SM2算法领先也很自然),与RSA安全性对比如表1所示。
算法速度对比如表2所示。
3)SM3算法
SM3密码杂凑算法,主要用于身份认证、数字签名、随机数生成等,其算法公开。该算法的安全性与SHA-256相当。为确保SM3算法的安全性,生产的杂凑值长度不能太短,比如,MD5输出的杂凑值为128位,从而影响其安全性。SM3输出长度为256位,SHA-1输出长度为160位,因此SHA-1和MD5的安全性低于SM3算法。
4)SM4算法
SM4是无线局域网标准分组算法。SM4算法的密钥长度、分组长度均为128位,其算法公开。密钥扩展算法以及加密算法均使用32轮非线性迭代结构。加密算法的结构与解密算法相同,它们不同之处在于解密轮密钥的反顺序为加密轮密钥,而轮密钥使用的顺序为相反。
此算法使用非线性迭代的结构,迭代一次通过轮函数来给出,而轮函数则是通过非线性变换与线性变换的组合得到,S盒给出非线性变换。轮密钥为rki,轮函数通过合成置换T组成。轮密钥生成流程与上图类似,输入生成为加密密钥,参数会存在一些差别,因为轮函数中的线性变换是不同的。算法流程如图1所示。
我国专业密码机构已经对SM4算法进行了全面测试和分析,并且可以抵抗线性攻击、差分攻击等其他现有攻击,因此SM4算法是安全的。
4 系统架构
4.1 整体架构
我们的平台实现了辖区内医疗机构信息管理系统、社康中心管理系统和区域人口健康信息平台之间的数据实时采集、安全交互和智能结构化。通过搭建联盟链,实现了辖区内公共健康领域信息的安全存储及调用、使用权限管控和溯源、智能分析及辅助决策。平台架构如图2所示。
社区医疗区块链管控平台包括两大系统:健康大数据智能分析系统和智能双向转诊系统。健康大数据智能分析系统的功能包括:非结构化数据自动转化、数据库智能整合优化、区域健康情况智能分析、潜在风险智能预测和患者管理情况智能考核。智能双向转诊系统功能包括三部分:患者转诊自动分拣、患者信息智能追踪和区域上下转诊智能分配。社区医疗区块链管控平台的核心模块及功能如图3所示。
4.2 功能模块
4.2.1 健康大数据智能分析系统
1)数据结构化模块
健康大数据智能分析系统面向社区内医疗卫生机构,基于区块链网络对社区居民健康档案平台中患者的历史医药数字化信息记录和社区公共卫生机构的历史医药数字化信息记录进行传输、存储管理。结合市慢病系统的下沉数据,社区人口健康信息平台中各卫生机构数据进行数据整合,在平台上实现编码和数据格式的统一,有效支持機构间相同含义的不同格式的数据交换,并针对选定病种的数据形成需求模板,保证患者的诊疗信息在获得权限的机构实现查阅和共享,实现数据的查漏补缺和质量优化,为数据共享和挖掘分析夯实了基础。图4是数据结构化流程。
2)区块链数据管理服务
①上链的医疗信息由区块链的特性保证信息不可篡改,即在某一医疗机构利用链上信息后可以完全实现医疗权责转移,直接追踪至某条链上信息的提供方进行追责;②该平台中医疗卫生信息的使用权限和使用记录能够做到最大限度的透明与监督,同时所有的操作记录对于其他平台参与者平等公开。
3)数据深层次分析
实现管理平台上不同时间周期监管报告的自动生成,提供通用和个性化定制模板(功能数据项自选)的统计表报,结合区人口健康信息平台上其他人口学数据和医疗卫生数据更深入地进行宏观和微观的统计和分析,并结合患者管理中的过程数据针对责任卫生机构和责任医师制定更科学的考核体系,更好地提高行政效能,完善行政决策。
4.2.2 智能转诊和随访系统模块
对已经确诊需求病种患者的信息进行网络报告和随访管理,通过地区人口健康信息平台实现与社康中心的对接,按居住地址归属实现对患者的智能分拣,完成对确诊病例的数据推送和提醒,跟进追踪转诊情况,获取和监控社康中心的建档信息及随访信息,及时更新人口健康档案,为长期健康管理和干预计划的制定打下基础。
智能转诊系统将为转诊患者开通转诊专用渠道及服务。在平台中提供不同医疗机构之间的患者住院转诊服务,包括转诊申请填写、转诊申请审批、患者电子病历数据查看、患者入院排队、相关信息通知、记录查询等。同时在模式上打破现存双向转诊模式中以高级别医院为转诊时中心的模式,实现链上双向去中心化转诊。依托区块链数字化分级转诊系统,实施智能化和去中心化的转诊机制和转诊分配,并开通转诊的特殊通道、专属通道和应急通道,构建多层级、分种群、强特色的分级诊疗模式。
5 系统测试
5.1 功能模块
从图6可以看出。
1)实现了医疗数据使用权限和使用记录的透明化与可监督。
2)实现了不同时间周期监管报告的自动生成,提供了通用和个性化定制模板的统计表报。
3)实现了对已确诊患者信息进行网络报告和随访管理。
4)通过地区人口健康信息平台实现了与社康中心的对接,按居住地址归属实现了对患者的智能分拣,完成了对确诊病例的数据推送和提醒。
图7是可视化智能合约界面。
1)是患者预约挂号界面。患者完善个人信息后,可以预约挂号,自主选择科室、医生、预约时间。
2)是医生审核预约界面。医生通过管理员分发的医生账号登入平台后,在“待处理合约”可看到患者提交的预约。
3)是患者授权管理界面。患者可填写授权码,发送给预约的医生,授权医生权限。
4)是医生完成授权界面。患者成功发送授权码后,医生方同步接收该授权码,此时医生方可查阅患者病历。
5)医生得到授权码后,成功进入患者病历窗口,可查阅患者以前的病例记录。
6)医生与患者根据预约的时间,进行线下就诊,医生再次进入患者病历本中,创建新的病历并保存。
7)医生创建新病历本并保存成功后,医生在“已达成合约”中可以看到与患者合约的状态是否成功。
8)患者与医生完成线下就诊,达成合约后,患者需再次登录系统,撤销原授权。
5.2 性能测试
我们通过工具Caliper来测试系统性能。Caliper是一个区块链性能测试框架,用户可以在定义好测试集的情况下针对自己的区块链网络进行性能测试,获取一系列的测试结果并生成测试报告。
1)準备阶段:根据区块链配置文件生成创建并实例化一个区块链,安装智能合约并启动监控器。
2)测试阶段:master根据基准测试配置文件启动循环测试。client会获取测试任务开始执行测试,并存储测试结果以备后续分析。
3)报告阶段:每一轮测试结果会收集起来进行分析并自动生成HTML格式的测试报告。
测试的结果如图8所示。通过图可知,本次测试的交易成功率为100%,交易失败率为0,发送速率为200tps,最大交易延迟为0.58s,最小交易延迟为0.00s,平均交易延迟为0.02s,吞吐量为200tps。
图9是性能测试的火焰图显示。火焰图主要看顶层哪个函数占据的宽度最大,只要有“平顶”,即表示该函数可能存在性能问题。图中清晰展示了CPU的调用栈。y轴表示调用栈,每一层都是一个函数,都会标注函数名,鼠标悬浮时会显示完整的函数名、抽样抽中的次数、占据总抽样次数的百分比。调用栈越深,火焰就越高,顶部就是正在执行的函数,下方都是它的父函数。x轴表示抽样数,如果一个函数在x轴占据的宽度越宽,就表示它被抽到的次数多,即执行的时间长。
6 结果分析
6.1 性能测试分析
根据现有区块链行业标准(如表3所示),本系统性能符合要求。
6.2 安全性分析
1)保密性
医疗数据在共享的过程中,接收者则是通过对称密钥或者公钥对信息加密,然后把信息上链进行共享,所以唯有接收者具备相应私钥才可以解密信息。所有的对称密钥都是不同的,一条医疗记录仅一个对称密钥负责加密,从而医疗记录保密性大大增强。对健康信息数据的传输,由接收者公钥进行加密,以确保该信息只能由相应接收者才可以读取。
2)匿名性
在共享医疗数据的过程中,患者隐私数据则是采用匿名的形式保护。患者使用社交群组的成员身份去共享医疗记录。患者的真实身份只能由管理员、认证中心、本地的医疗云中的医生才能获知。某条医疗记录只能通过认证中心与管理员来辨识患者真实身份。无法经过索引号来识别医疗记录的所有权。由于在存储索引的生成历程中会添加随机数,因此所有的医疗记录索引都会不相同。另外,将与身份有关的信息存储到健康数据卡之中,医疗数据通过硬件的方式保护,并且在未授权的情况下无法读取智能卡中的信息。对健康信息数据的传输,类似于共享医疗记录,患者在传输的过程中通过群组成员的ID来保护隐私。
3)认证性和与完整性
在诊断和治疗后,医生必须生成在诊疗记录上的数字签名。诊疗记录与数字签名由患者验证和确认,进而生成双重签名。患者在数据传输之前,将对其他健康信息实行数字签名。任何实体没有得到签名者私钥,该实体数字签名都无法伪造。签名者之所以能验证任何标有数字签名的身份信息,是因为数字签名唯有设定的签名者来生成,即使篡改了某条医疗记录,接收者可通过验证发现。
4)访问控制
通过权限管理,患者不仅能查看到自身医疗记录,还可以与其他已授权过的实体进行共享医疗记录。在使用医疗记录之前,患者和医生都需经进行身份验证。对不同的实体访问权都由患者的自定义密码控制。未经过患者授权的任何实体,都无法访问到患者医疗信息。
7 结束语
基于区块链的医疗管控系统作为公共卫生领域创新的一体化综合型区块链数字化管理平台,在联合现有的公共卫生医疗信息化的资源基础上,利用区块链技术和国密算法技术来解决互联互通标准化程度低,针对数据安全与隐私保护不到位、数据深度挖掘和分析不足等问题,缓解了各地区的信息化建设中“信息孤岛”、分散建设、多头管理、多头采集、多系统并立等问题。同时,增加了智能化、个性化和数字化创新功能模块,建立了一套有效的技术支持与服务体系,为广大的用户提供了高质量服务,增强了公共卫生及健康服务体系的信息化、数字化和智能化水平,强化了健康信息资源的存储安全和使用效率。下一步工作:1)进一步完善区块链医疗系统的功能,以满足用户不断增长的需求;2)进一步提高医疗系统的可扩展性,以满足未来需求。
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【通联编辑:谢媛媛】