基于区块链的医疗信息系统及智能合约设计

林家茂

摘要：近年来，医院智能化的医疗信息系统建设已经成为每家医院的重要任务，那么从何着手改善，就成了医院信息科要面临的首要问题。该文笔者基于区块链技术对医疗信息系统中的数据进行存储的同时并增加智能合约对患者详细信息进行管理，进一步地改善现有医疗信息管理系统，同时针对当前医疗信息系统管理中面临的多种问题开展了相关实验。实验结果表明，此方法有效且具有较强的实际可行性。

关键词：区块链  智能合约  医疗系统  基于区块链的医疗系统

中图分类号：G202文献标识码：A        文章编号：1672-3791（2022）01（a）-0000-00

Design of Medical Information System and Intelligent Contract Based on Blockchain

LIN Jiamao

（Renhuai people's Hospital， Renhuai， Guizhou  Province， 564500 China）

Abstract：In recent years， the construction of hospital intelligent medical information system has become an important task for each hospital. How to improve it has become the primary problem faced by the hospital information department. In this paper， the author stores the data in the medical information system based on the blockchain technology， and increases the intelligent contract to manage the patient's detailed information， so as to further improve the existing medical information management system. At the same time， the author has carried out relevant experiments for a variety of problems faced in the current medical information system management. The experimental results show that this method is effective and has strong practical feasibility.

Key Words： Blockchain; Smart contract; Medical system; Blockchain based medical system

醫疗康复诊断、评定与治疗的一个至关重要的环节就是医疗信息的畅通和共享。需要被记录到医疗管理系统中的信息主要为设备使用记录、患者信息记录、检验治疗项目还有具体医疗过程的花费金额等。然而，在实际情况中，很多就诊患者并不能够真正地有效使用到医疗信息系统的功能，因为他们对其没有足够的认知，不清楚信息在其中到底如何被记录、存储，以及如何调出，从而无法有效地利用信息。之所以出现这些现象的原因之一在于传统医疗信息系统对于信息隐私安全的保护，以及受限于原有存储记录医疗信息的方式。所以如何在现有医疗信息系统的基础上革除其弊端，发展出一个新型的高质量医疗系统成为了现在亟需解决的问题。从以往医疗信息系统的发展历程看来，它面向的医疗领域受众很广，因此，未来的发展前景还是很广阔的，特别是在克服传统医疗信息系统难以保证灵活且安全的高度信息共享性的劣势后，相信医疗行业在新型医疗信息系统的协助下能够有着更进一步的发展。面对这个难关，该文选择了使用区块链技术，因其具有的去中心化、可追溯性、安全性和分布式数据存储等特性以及医疗系统的特性，针对医疗信息系统中的数据安全存取问题，设计一个具体的基于区块链的医疗信息系统体系结构。此系统基于区块链的去中心化以及信息加密共享机制可以很好地解决目前医疗系统中心化存储存在的问题，保障信息隐私安全，而且不论是对医生还是对患者来说，他们都能够更加便利地获取信息、使用信息。

1区块链技术概述

区块链的概念的第一次被引入是在基于点对点网络的比特币电子现金系统中[1]。经由区块链的运行方式之所以能够破解多方信任危机，是因为基于区块链进行的交易将会被记录，不可篡改、不可删除。所以，区块链最初的应用是作为一种达成多方信任共识的多人共享交易记录平台，基于它进行比特币交易的节点能够中转到另一个节点上，有效地解决了现金被多次重复用于花费的问题。随着该领域的迅猛发展，相关研究者对其的认识更加深刻，探索出了区块链能够应用于多个领域的广阔前景，目前在经济领域以及公共建设等领域已经有着对区块链进行尝试性探索应用。

该文基于区块链的运作机制的结构式特征，提出几种较具备可行性的运用思路：区块链能够通过有效不变性以及共识机制共同驱动的信任方式来减少中间人环节、利用自动化智能合约设计促进跨链的无接触式交互的同时为用户提供灵活互通性。从这些运用思路延伸来看，区块链前沿技术的探索性运用无论是对于个人、企业还是世界都具有划时代性的技术革命潜力。

2 基于区块链医疗系统的体系架构

2.1区块链实际应用的基本框架

区块链最开始的应用是作为底层技术，对比特币系统进行高效管控与二次开发。

该研究基于区块链基本架构设计搭建了一个更加便于修改的具有共识机制的安全信息共享平台，即智能合约。智能合约在分散式记录存取、对称式加密算法、P2P网络和多方信任机制等多个核心技术的支持下实现了在存取相关数据信息的同时能够达成医疗信息系统内部人员无接触式交互的便利功能。

以图1所示的是智能合约的功能层级架构。

2.1.1物理节点层

这一层最显著的特点就是以去中心化的方式管理分布式数据存储，其节点之间两两互相连接，而且任意节点都可以等效地实现服务器的作用[2]，将整个信息系统中的数据交易进行安全共享。

2.1.2平台层

分为数据层、网络层以及共识层。数据层是专门搭建的用于存储信息系统中大量数据的空间，在此區块内存储了一般交易记录或者基本医疗信息等数据。网络层则是用于搭建新节点以及保障系统内网络连接的安全性，在此基础上构建灵活互通的消息传播方式以及具备高度安全性的数据验证方式。共识层则是通过算法实现在各节点间维持数据信息的一致性，为可建立信任的共识机制打下基础。搭建在上一层的是虚拟机以及无接触式远程控制的通信访问协议，为实现节点间的灵活互通提供了基础。

2.1.3合约层

合约层是基于区块链进行医疗系统设计时的一个核心的部分[3]，系统的所有功能和业务逻辑都是经过编写智能合约以及前端的调用实现。

2.1.4应用层

应用层是通过系统分布式数据存储特性开发的去中心化应用，搭建在以太坊、EOS上的各类区块链技术应用即部署在应用层。

2.2基于区块链技术的医疗信息系统体系搭建

针对医疗信息系统目前的研究现状、面向对象端口以及服务器间的连结等方面[4]，该研究在结合相关资料后基于区块链技术创新地提出了一个搭建新型医疗信息系统体系的构想，具体体系结构参考见图2 。

该文提出的此体系结构克服了现有B/S结构的局限性，在结构中新构建了一个新的区块链节点模块，利用其加密算法和共识算法来更加精确灵活地记录、存储以及更新数据。

用户在使用此基于区块链技术的医疗信息系统时，可以自主操作向系统中存入信息，以及查询自己的相关信息或者符合需求的医生的信息，当用户访问区块链中存储的信息时，系统给出响应，用户就能够得到自己想要的信息[5]。使用区块链技术的一大显著好处是它的分布式数据存储使得不需要特定的医疗系统也能够访问到用户需要的信息，这将赋予医疗数据极高的共享度。

在这个系统工作时，用户可以直接根据自身需求将医疗信息存储到区块链上或访问存储在区块链上的数据，有效提高医疗系统的服务能力及效率。区块链系统中的去中心化让使用的信息可以不再限制于某个特定的医疗系统存储和管理的数据，这将赋予医疗数据极高的共享度。

将基于区块链的医疗信息系统看作一个相对孤立的系统，其核心功能为用户信息管理和用户病历信息管理。医疗信息系统的具体功能见图3。

医疗信息管理系统的用户群体大致可以划分为三类：医生、患者和研究人员。医生和患者通过在信息系统中注册账户，完善相关资料，可以实现无接触式实时交互[6]。而研究人员则是一般拥有更高的权限，在征求过相关人员同意后可获取特殊病例的医疗数据进行研究。

基于功能分类设计的区块链医疗信息系统虽然不对实体模型有依赖性，但是医疗系统本身是需要一定的数据来支撑的，因此，仍然需要一个实践的过程将医疗信息真正地与医疗信息系统的概念模型结合起来。

3.1智能合约概述及程序设计机制

依据传统医疗系统所具有的还有区块链技术特点，将之结合，构想出一个兼具他们二者优势特性的智能合约，以此搭建一个新型的基于区块链存储技术的医疗信息系统。

该智能合约有着不同于传统合约的共识机制建立起的坚固信任，其内容模块主要涵盖了区块链医疗信息系统、病历、医生、患者和研究人员合约这5种[7]。

图4为医疗信息系统中智能合约的相互之间的关系结构图。

3.1.1区块链医疗信息系统合约

区块链医疗信息系统合约是一个能够调用并管理不同用户的基本信息数据及权限的规则类协议。

3.1.2医生合约和患者合约

这两类合约是负责记录医患个人信息，同时提供给医患沟通的渠道。患者可以借助这个合约记录存储个人医疗信息的同时，与医生进行无接触式交互，隔空对医生发起问诊申请，而医生也能够通过系统访问患者的相关历史病历数据，同时对其做出回复。

3.1.3病历合约

病历合约是存储患者病历信息的媒介，由患者自主进行存储行为，存储自己需要用到的病历信息。一般来说，为了保护患者隐私，只有本人能够查看。但是在特殊情况下，通过本人授权后，负责治疗的医生可查阅病人的病历。

3.1.4研究人员合约

该合约用于存入对应用户的基本信息，同时给予研究人员用户调用信息的权限，使用该系统的研究人员有权限查阅病人并主动设置公开的信息。

智能合约中的方法就是在为使用群体提供记录和访问存储信息的平台，同时也赋予了部分用户调用信息的权限[8]，每个合约类别都对应着一个功能的分类。所以一个有效的智能合约设计方法应该是动态地分析系统的外部行为，并且将其划分为小的单元，对应用户设计功能。

（1）用例分析法。我们在构建一个合约时，通过分析实际案例来寻找思路。比如说先在数据上传过程中我们先对数据上传的不同形式进行分析。

（2）修改数据的方法。在区块链技术中，一个显著的特性就是数据不可篡改，而这也是保障医疗信息系统隐私安全的基础。要对区块链中的信息进行修改，就相当于用一个新的版本的数据去覆盖原先版本的值。如果要直接修改其中的数据信息，一定要经过交易这一步骤，而且大概率可能耗资巨大。那么，如果我们想要改变数据，就只能通过间接的方式达成结果，而不能够直接进行删除操作。比如说想要删去这一部分的信息，可以选择用关闭对外开放的权限的方式达成相同的结果。

（3）注销合约。区块链中的数据无法删改，要想删除数据，只能注销合约，销毁所有相关数据，或者将想删去的值修改成0，表示系统中此数据为空。

（4）查询数据方法。用户可以自主在系统中搜索开放的数据以了解相关信息。

3.2智能合约的设计方法

智能合约是该系统的核心主导部分。可以说，该文研究的医疗信息系统就是部署在区块链上，由智能合约协议进行全局管理。它可以让医生、患者以及相关医疗领域的其他用户自行基于自身需求考虑如何访问系统，管理医疗数据[9]。

对智能合约的整个设计过程进行总结，就能够得到智能合约的一般设计方法。

（1）概念模型构想。智能合约的概念模型可以在参考原有医疗信息系统的基础上结合问题域中的实体概念模型共同进行设计。

（2）逻辑模型构想。基本逻辑应该考虑涵盖各个合约以及它们互相之间的关联，还有合约中需要用到的数据结构以及映射方法等。

（3）合约的程序设计。使用更符合医疗信息系统生态的特定的程序语言来编写合约。

（4）合约的编译和部署。将写好的合约代码编译成机械语言并安装到区块链层中。

该文设计的智能合约主要将功能划分为面向用户以及其医疗数据两个部分。两个部分分别以自己的功能主体对象为中心，即分别为用户和病历信息。

4结语

该文针对传统医疗信息系统数据难以安全有效地共享的问题，设想一种基于区块链的新型医疗信息系统体系结构。在传统系统的基础上增加区块链模块，结合二者优势，有效保障了医疗数据信息的安全性和共享度。同时构想出了此类医疗信息系统的基本概念结构模型，并利用智能合约技术实现了一个简单原型系统。

该文提出的建设性的意见及对策，在一定程度上为基于区块链的医疗信息系统建设提供了一些比较现实的技术思路和借鉴。后期相关研究必须要关注的问题还有建立合适的区块链类型、实现通用的医疗数据析取模块、提高区块链系统的数据检索效率和存储效率，以及基于区块链医疗系统的前端设计技术，这些都需要在技术的不断前进中进行调整优化，体现动态性，提高的针对性与实效性。

参考文献

[1] SIDHU J. Syscoin： A Peer-to-peer Electronic Cash System with Blockchain-based Services for E-business[C]//2017 26th International Conference on Computer Communication and Networks （ICCCN）. IEEE，2017：1-6.

[2] BENTOV I，LEE C，Rosenfeld M，et al. Proof of Activity： Extending Bitcoin's Proof of Work via Proof of Stake [Extended Abstract]y.[J]. SIGMETRICS Performance Evaluation Review，2014，42（3）：34-37.

[3] 胡凱.白晓敏，高灵超，等.智能合约的形式化验证方法[J].信息安全研究，2016，2（12）：1080-1089.

[4] PILKINGTON M. Blockchain Technology： Principles and Applications[M]//Research Handbook on Digital Transformations. Edward Elgar Publishing， 2016.

[5] 郭雪梅.基于区块链智能合约的网络威胁情报共享机制及实现[D].北京：北京邮电大学，2019.

[6] 张圣垚.基于区块链的电子病历系统的设计与实现[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2018.

[7] 孙学波，姜金希.基于区块链的医疗信息系统及智能合约设计[J].辽宁科技大学学报，2020，43（2）：135-145.

[8] 任天宇，王小虎，郭广鑫，等.基于多级身份验证和轻量级加密的电力物联网数据安全系统设计[J].南京邮电大学学报：自然科学版，2020，40（6）：12-19.

[9] 尹慧子，张海涛，刘雅姝，等.国内外医疗信息共享研究进展[J].情报理论与实践，2020，43（1）：177-181，162.