基于超级帐本和手指静脉的PHR共享方案

冷泽琪, 谭振江, 王坤昊, 丁婷婷

(吉林师范大学 计算机学院, 吉林 四平 136000)

0 引 言

现阶段的医疗记录系统存在很多管理和技术上的挑战。例如, 医护人员在做出重要的患者护理决策时, 不能及时地获取完整、 准确、 可靠的相关信息[1]； 当IT(Information Technology)提供商尝试通过提升服务质量获取收益时, 很多病理无法直接获取经济回报。激励失调会导致提供商的IT采用率增长缓慢。另外, 由于没有及时电子存档, 许多患者(尤其是儿童和老人)记错或忘记病史。而成年人涉及到一些隐私问题时, 未必能提供真实的病情导致治疗效果不佳。由此可见, 真实、 完整、 低成本地提供PHR(Personal Health Records)是制定治疗计划的关键。广义上讲, PHR包含完整的医疗保健数据, 如医疗历史、 用药程序和重大疾病以及过敏信息、 家庭监测数据、 家庭成员历史、 社会记录和生活方式、 免疫记录、 处方药、 实验室实验和遗传数据[2-5]。

由于现阶段区块链系统中对身份的重重筛选会造成高额的运算成本, 同时区块链的上链数据不可删除, 不可篡改, 因此, 随着PHR的增加, 存储压力会越来越大。FV(Finger Vein)身份验证和超级账本为上述问题提供了一个全新的解决方向, 故笔者提出一个基于超级账本和FV身份认证的PHR数据安全与共享方案, 将新型FV技术与Hyperledger Fabric结合, 降低了身份认证的成本和耗时。同时将索引和完整记录分别存储在链上和Filecoin中, 能减轻链上存储压力。并且基于访问控制智能合约的高度自治性能很好地保护隐私。

1 超级账本

1.1 超级账本概念

超级帐本不同于区块链和加密货币, 是一个开源的联合项目。它由Linux基金会托管和管理, 包括金融、 银行、 物联网、 供应链、 制造业和技术领域的领导者。

除了具有传统区块链技术的一般特点外, 超级账本作为一个开源系统还具有如下很多优势(信息来源: https:∥www.hyperledger.org/wp-content/uploads/2018/08/HL_Whitepaper_IntroductiontoHyperledger.pdf)。

1) 简要的沟通环境有助于新学员快速地赶上社区的发展进度。

2) 让众多开发者能集中精力处理较少的任务, 从而加强社区的专业化。

3) 鼓励协助开发项目, 大大减少重复, 简化新项目的开发。

4) 通过TSC(Technical Steering Committee)定期审查项目, 促进开源软件的质量。

5) 对开发者的知识产权采取一致的许可和标准, 开发者不必担心成员之间复杂的合同和隐藏的法律问题[7]。

由于超级账本是一个联合项目, 其中最早贡献到https:∥www.hyperledger.org/网站上的是Fabric项目。如图1所示是Fabric 2.0的交易流, 其中包括背书节点、 领导节点和记账节点, 橙色括号外代表执行该步骤的接口。

1.2 Fabric的结构及特性

Fabric整体结构包括应用、 链码、 账本、 数据库存储、 区块链结构、 共识、 权限管理和数字证书等多个组件。为方便开发者, Fabric还提供了gRPC API和SDK(Node.js, Java等)。通常情况下, 应用开发者只需要操作SDK即可访问网络中的资源(包括账本、 交易、 链码、 事件等), 无需关心底层的实现[6]。

此外, 为企业级标准应用开发的Fabric平台还具有很多特性。比如特殊的处理事务逻辑(“背书→排序→提交”模型)、 不同账本彼此隔离、 不同权限有不同的共享通道、 支持可插拔选项和共识机制等。这些特性对PHR系统的改革有很大的优势。因此, 选择Fabric作为底层平台, 联合FV识别技术开发一个PHR系统, 加强医疗信息共享的安全性。

2 模型预备知识

2.1 Filecoin存储平台

Filecoin是一种分布式的存储平台, 是基于星际文件系统的一个成熟项目。其中含有存储矿工、 客户机和检索矿工3个实体。Filecoin协议的一致算法能保护网络免受恶意活动的侵害[7]。为确认特定数量的存储在一段时间内以特定方式使用, Filecoin提出一种新型的“时空证明”, 即数据在特定的时间内占用了特定的存储空间。此外, Filecoin通过令牌进行对等交换[8]。比如, 客户存储一定量的Filecoin, 矿工就会为客户提供存储空间, 相应地, 矿工也会获得一定量的奖励。Filecoin具有成本低、 高效、 稳定等特性, 因此笔者选择Filecoin作为存储平台。

2.2 基于FV特征的身份验证

手指静脉是一种皮下结构, 它随机地发展成一个网络并延伸到一个手指上, 是一种很独特的生物特征。这种生物特征信息在同一个人的每只手的手指之间是无法比较的, 静脉生物测定也是非接触的[9], 因此不需要解决健康问题。如表1所示, 它与指纹、 虹膜和步态等其他生物特征识别方法相比, 手指静脉在应用中显示出一些独特的优势。

表1 手指静脉与其他特征对比的优势

3 PHFV模型设计与实现

为保证PHR数据的真实性和其他节点的安全共享, 笔者设计了一种基于超级账本和手指静脉的PHR共享模型(PHFV)。表2是文中各部分搭建的测试环境。

表2 测试图像的运行环境

3.1 PHFV的结构及流程

如图2所示, PHFV模型总共分为5个实体： 患者(PA: Patient)、 临床医生(CL: Clinician)、 医药研发机构(PRD: Pharmaceutical Research and Development institution)、 医生(DOC: Doctor)和医疗机构(ME: Medical institutions)。5个实体在模型中的工作任务解释如下(以下为模拟过程)。

PA。患者录入记录信息时, 用左手指接触手指静脉采集装置进行FV认证。过程分为两个阶段： 当PA进行手指静脉采集后, PA发出注册申请, 系统进行图像预处理, 并请求CL发送私钥签名PKS。系统对图像进行分割转换处理后, 将CL的PKS和静脉的二进制字符串打包生成MD5值, 生成该交易的唯一的哈希值, 记录在Fabric网络中。如果PA是老用户, 系统则发出静脉匹配请求, 将再次收集到的静脉纹路与注册时相比较, 若相同则判断为真实者并通过申请, 可以查阅PHR或上传记录(执行上述步骤)。若不同则判断为冒名顶替者, 请求无效并记录该人的指纹存档在一个私有链Blackchain中, 达到一定次数和条件, 该用户将禁止登录。

CL。由于CL作为记录证明医生, 需要将其私钥签名发送到注册节点, CL利用椭圆签名加密算法将自己的私钥加密。系统收到CL的签名后, 进行私钥签名验证, 流程为： 首先根据获得的消息Message计算哈希值H, 再计算一个中间点D(DX,DY), 然后将其与接收到的中间点Med(mx,my)进行对比, 如果相同, 就验证通过, 否则不通过, 进行重新签名。

图2 PHFV模型架构图Fig.2 PHFV model architecture diagram

PRD。医药研发单位负责共享并收集PHR。首先PRD向PHR发送请求, 区块链对接收到的消息进行哈希运算, 形成区块摘要； 然后用PRK对摘要进行加密, 形成签名。PA对消息进行哈希运算, 然后用相应的PUK解密, 再对比二个哈希值。如果一致, 验证通过, 可共享该PA的PHR。PRD将收集到的PHR信息集成分析可以促进医药的研发。

DOC。医生节点的访问目的在于, 当PA跨机构进行诊断时, 需要调用其历史医疗记录。医生的身份验证要通过智能合约, 通过后可以查看PA的病史, 以便DOC进行精准医疗。

ME。医疗机构主要包括： 医院、 医疗公司、 药店和其他医疗器械公司等实体。当ME发送请求给Fabric, 将触发智能合约。通过后, ME节点可实现共享安全的PHR, 作为利益方, 分析和整理安全的医疗记录有益于机构的进货筛选, 再对该机构的信誉、 经济实力和规模等进行相应提升。

3.2 FV身份验证流程

1) 图像采集。如图3所示, PA用左手指接触静脉采集装置后, CCD(Charge Coupled Device)摄像机(因为静脉切面比周围少, 用红外敏感的CCD摄像机可以观察到手指静脉形态。)通过近红外滤光片进行检测。1 000 nm的近红外光可以穿透手指皮肤, 而静脉中的血红蛋白可以吸收近红外光。

图3 FV认证框架Fig.3 FV certification framework

2) 区域图像提取。该过程包括使用CLANE算法进行对比度处理、 ROI(Region Of Interest)提取和基于Otsu-s的改进分割算法去除背景。先对图像进行对比度预处理即调整对比度使边缘和纹理清晰可见, 再对图像进行ROI提取, 即感兴趣区域。

3) 图像分割处理。笔者采用改进的Otsu-s分割算法去除FV背景图像。其将图像的灰度值分割成方差最大的两部分。在对比图4中, 左上角为原图像, 右上角为简单阈值分割, 左下角为邻域平均值分割, 二者的分割效果较差； 右下角为改进的Otsu-s, 采用高斯函数分布后执行的效果。

图4 改进后的OSTU分割手指静脉对比图Fig.4 Comparison of improved OSTU segmentation of finger veins

经过上述图像处理后, 系统会验证是否为本人录入健康记录, 防止恶意节点提供虚假信息。验证通过后, PA可以上传个人的医疗记录。

3.3 基于智能合约的访问控制策略

笔者设计了一个访问控制合约, 主要包括function createProduct、 function updateTimestamp()、 function fiveMinutesHavePassed()和function visiteProduct等函数。时间控制和次数控制的部分伪代码如下。

lastUpdated←0

call updateTimestamp()

lastUpdated←now

call fiveMinutesHavePassed()

now ←lastUpdated+5 minutes

totalVisted←0

callvisiteProduct()

if(fiveMinutesHavePassed() && totalVisted<=500)

then {totalVisted++

nickname←products[qurNum]}

else{callupdateTimestamp()

totalVisted←不合法的}

当PA通过该合约后可以查询自己的PHR信息。其中PA录入信息的格式如下：

PA={string memory nickname, string memory medicalclass, string memory numNote, uint idCard, string memory sex,string memory description, uint mykey}。图5为可查到的PHR信息。

图5 例子中上链的PHR信息Fig.5 PHR information on the chain in the example

例如, PA={tom, heart disease,20,222403,male,Need heart bypass surgery,20}。

4 PHFV方案测试分析

笔者选用Fabric2.0和Filecoin1.3.0作为测试平台。将文献[10]中基于区块链的DNSSEC的身份认证模型和文献[11]中基于区块链技术实现的实名数字身份认证机制进行模拟实验, 通过比较这两种身份验证模型(见图6、 图7)的执行时间和医疗数据的占用空间情况等其他指标, 验证PHFV方案的高效性和可行性。从图6可以看出, 随着医疗记录的增加, 笔者方案在身份认证耗时上具有明显的优势。从图7可以看出, 在同样存储空间中, 笔者的方案可以录入更多的个人健康记录。

图6 PHFV模型处理时间方面与其他方案对比 图7 PHFV模型存储方面与其他方案对比Fig.6 Comparison of PHFV model processing Fig.7 Comparison of PHFV model time with other solutions storage with other solutions

5 结 语

个人电子病历记录的共享有助于提高诊断准确率、 降低医疗成本以及对自身的健康做规划。在提高信息真实性方面, 采用新型的手指静脉身份认证, 用生物识别技术保证患者的记录真实性； 提出利用哈希索引和Filecoin结合减少区块链上的存储成本； 通过智能合约对访问节点进行限制, 防止恶意节点对PHR攻击。但在静脉识别和分割上的精准度有待提高, 下一步将致力于FV的精准分割, 并对手术病历记录进行深入研究, 为精准医疗做进一步的贡献。