基于區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)保護(hù)機(jī)制的電子病歷設(shè)計(jì)

肖麗 鄧星月 顏楨羿 王金全 羅掬月 溫川飆

摘要：目的：旨在對(duì)電子病歷不同隱私等級(jí)的數(shù)據(jù)進(jìn)行保護(hù)，解決醫(yī)院與患者雙方身份認(rèn)證的難點(diǎn)，達(dá)到對(duì)電子病歷數(shù)據(jù)全方位防護(hù)的目的，并結(jié)合現(xiàn)狀對(duì)電子病歷信息的進(jìn)行分類，論述數(shù)據(jù)的不同隱私等級(jí);過(guò)程及方法：解析針對(duì)不同隱私等級(jí)電子病歷數(shù)據(jù)的簽名設(shè)計(jì)，深入剖析電子病歷的轉(zhuǎn)碼方式，最終闡述利用區(qū)塊鏈技術(shù)將用戶雙方（醫(yī)院與患者）產(chǎn)生“交易”的每一個(gè)節(jié)點(diǎn)全部上鏈。結(jié)論：提出了基于區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)保護(hù)機(jī)制的電子病歷設(shè)計(jì)，保與電子病歷相關(guān)的每一個(gè)環(huán)節(jié)的安全，為用戶的身份認(rèn)證加上了一道防御鎖。

關(guān)鍵詞：隱私;區(qū)塊鏈;信息上鏈;電子病歷;數(shù)據(jù)

中圖分類號(hào)：TP311? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2021）14-0245-04

Abstract ：Objective：To protect the data of different privacy levels of electronic medical records， solve the difficulty of identity authentication between hospitals and patients， and achieve the purpose of all-round protection of electronic medical records data.This paper analyzes the signature design of electronic medical records data with different privacy levels，Process and Methods： deeply analyzes the transcoding mode of electronic medical records， and finally expounds the use of? Blockchain technology to connect all the nodes of the "transaction" between users （hospitals and patients）.Conclusion： the design of electronic medical records based on Blockchain data protection mechanism is proposed， which guarantees the security of every link related to electronic medical records and adds a defensive lock for user's identity authentication.

Key words： privacy; block chain; information chain; electronic medical records; data

隨著區(qū)塊鏈技術(shù)的發(fā)展以及人們對(duì)個(gè)人隱私信息的重視，隱私數(shù)據(jù)保護(hù)顯得尤為重要。數(shù)據(jù)的價(jià)值日益增長(zhǎng)，各類數(shù)據(jù)的交易也層出不窮;例如某些研究機(jī)構(gòu)或者公司需要對(duì)購(gòu)買(mǎi)一些真實(shí)有效的數(shù)據(jù)信息投入到其研究的某一領(lǐng)域去時(shí)，其本身能夠采集到的數(shù)據(jù)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，所以購(gòu)買(mǎi)數(shù)據(jù)成了一個(gè)必要之路。根據(jù)相關(guān)法律規(guī)定，如要實(shí)現(xiàn)科學(xué)研究，需要對(duì)其中的隱私信息進(jìn)行隱匿。電子病歷相較于其他數(shù)據(jù)記錄了更多的多個(gè)人隱私數(shù)據(jù)，并且這類隱私往往牽涉甚多，對(duì)其隱私數(shù)據(jù)進(jìn)行完全防護(hù)是十分有必要的，而在電子病歷中可公開(kāi)信息只要能保證其不可篡改便既可以使得數(shù)據(jù)買(mǎi)賣(mài)交易的正常進(jìn)行，又能達(dá)到保護(hù)隱私的目的。

1 區(qū)塊鏈的發(fā)展

隨著區(qū)塊鏈相關(guān)技術(shù)的不斷成熟，區(qū)塊鏈所蘊(yùn)含的商業(yè)價(jià)值不斷被發(fā)掘。習(xí)近平主席于2018年5月28日舉行的中國(guó)科學(xué)院和中國(guó)工程院兩院大會(huì)中明確指出：“以人工智能、量子信息、移動(dòng)通信、物聯(lián)網(wǎng)、區(qū)塊鏈為代表的新一代信息技術(shù)加速突破應(yīng)用……世界正在進(jìn)入以信息產(chǎn)業(yè)為主導(dǎo)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展時(shí)期?！盵1]。根據(jù)中國(guó)知網(wǎng)顯示，2017年區(qū)塊鏈相關(guān)文獻(xiàn)共計(jì)1630篇，2018年達(dá)到3870篇，2019年第一季度已有832篇相關(guān)文獻(xiàn)。區(qū)塊鏈技術(shù)去中心化和去信任化的特性，令以往醫(yī)療電子病歷溯源與傳輸難題得以解決，目前深圳市衛(wèi)健委與平安國(guó)際智慧城市科技股份有限公司就醫(yī)療衛(wèi)生行業(yè)的數(shù)據(jù)管理服務(wù)（囊括區(qū)塊鏈服務(wù)）達(dá)成合作協(xié)議，MIT研發(fā)的基于以太坊的電子病例的系統(tǒng)—MedRec業(yè)已成熟。然而，區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)儲(chǔ)存不同于傳統(tǒng)SQL數(shù)據(jù)庫(kù)，醫(yī)療電子病歷若儲(chǔ)存于區(qū)塊鏈中，需要就數(shù)據(jù)可讀性、檢索能力以及隱私保護(hù)進(jìn)行改良，目前對(duì)于針對(duì)區(qū)塊鏈儲(chǔ)存設(shè)計(jì)的電子病歷模型研究尚未普及，探討和建設(shè)相關(guān)電子病歷模型具有開(kāi)拓性意義。

2區(qū)塊鏈電子病歷模型

電子病歷與區(qū)塊鏈隸屬兩個(gè)不同的技術(shù)方，兩者的相互運(yùn)用——電子病歷在區(qū)塊鏈上進(jìn)行分布式儲(chǔ)存，需滿足一定的兼容條件，即可讀性、匿名性、可檢索性三大特性。

2.1 可讀性

電子病歷的可讀性主要體現(xiàn)在其對(duì)十六進(jìn)制的接受能力。區(qū)塊鏈技術(shù)始于比特幣，至今多數(shù)公有鏈延續(xù)比特幣對(duì)十六進(jìn)制數(shù)據(jù)的讀寫(xiě)能力。一份電子病歷若有上鏈需求，則需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)碼。而相對(duì)于計(jì)算機(jī)常用的二進(jìn)制，十六進(jìn)制更為簡(jiǎn)潔，則選擇十六進(jìn)制轉(zhuǎn)碼是必然的。SHANGPING WANG 等基于區(qū)塊鏈技術(shù)，搭建了分布式存儲(chǔ)系統(tǒng)中細(xì)粒度訪問(wèn)控制的數(shù)據(jù)共享框架[2-3]。針對(duì)圖片數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)碼經(jīng)十六進(jìn)制轉(zhuǎn)碼后數(shù)據(jù)量將會(huì)隨圖片質(zhì)量及大小呈不同幅度增長(zhǎng)的問(wèn)題——這對(duì)網(wǎng)絡(luò)帶寬和驗(yàn)證節(jié)點(diǎn)具有較高要求，后文將提出基于分布式儲(chǔ)存縮減實(shí)際數(shù)據(jù)的解決方案。

使用十六進(jìn)制轉(zhuǎn)碼的大前提是電子病歷對(duì)十六進(jìn)制的可讀性，除此以外，不同醫(yī)院終端的電子病歷格式不盡相同，文件修改成本較高，但統(tǒng)一醫(yī)療病歷格式將有助于數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)碼后閱讀與自動(dòng)審閱。

2.2 匿名性

在評(píng)價(jià)系統(tǒng)中，在其他方面成為評(píng)價(jià)者的被評(píng)價(jià)者，就有成為惡意攻擊者的可能，從而使評(píng)價(jià)失去客觀性[4]，與評(píng)價(jià)系統(tǒng)相似，區(qū)塊鏈的匿名也是將交易雙方身份進(jìn)行半匿名操作，并且每一次“交易地址”均為新地址——無(wú)法通過(guò)地址來(lái)追溯某一特定評(píng)價(jià)人，但區(qū)塊鏈技術(shù)能夠依靠密碼學(xué)和分布式算法在不借助于任何可信第三方機(jī)構(gòu)的情況下用數(shù)學(xué)方法使參與者達(dá)成共識(shí)[5]。再者，患者的病歷信息屬于隱私范疇，非醫(yī)療機(jī)構(gòu)與醫(yī)療機(jī)構(gòu)也需要在獲得患者或相應(yīng)政府機(jī)關(guān)許可才可進(jìn)行查閱;為防止病毒或間諜軟件利用醫(yī)患對(duì)電子病歷數(shù)據(jù)的調(diào)用過(guò)程獲取患者的隱私信息，交易匿名也成為必然。由于區(qū)塊鏈隸屬于中心化網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)內(nèi)節(jié)點(diǎn)擁有相似權(quán)力，為保證不必要的隱私泄露，有必要對(duì)其中數(shù)據(jù)進(jìn)行加密——即數(shù)據(jù)進(jìn)行偽裝達(dá)到數(shù)據(jù)匿名的目的。加密方式有諸多選擇，不論是使用非對(duì)稱加密的ecdsa算法，或者對(duì)稱加密的AES算法，均有良好的加密解密能力。根據(jù)實(shí)際情況常利用兩種加密方式混用進(jìn)行設(shè)計(jì)。

各類電子病歷信息上鏈多以交易形式發(fā)送，對(duì)于網(wǎng)絡(luò)而言，交易的匿名性最為重要——此項(xiàng)涉及用戶的信息私有性問(wèn)題，上文所提到的交易匿名設(shè)計(jì)隸屬于區(qū)塊鏈平臺(tái)設(shè)計(jì)，本文暫不進(jìn)行討論。

2.3 可檢索性

電子病歷除了用作記錄患者就診信息外，也是流行病學(xué)研究與臨床試驗(yàn)研究的重要數(shù)據(jù)來(lái)源。上鏈信息若單一強(qiáng)調(diào)匿名性將喪失研究助力作用。簡(jiǎn)單設(shè)計(jì)上，一份病歷可帶上數(shù)個(gè)標(biāo)簽，對(duì)于標(biāo)簽進(jìn)行關(guān)鍵詞檢索將能迅速定位某一病歷，既能方便患者院方定位就診經(jīng)歷，也可對(duì)流行病學(xué)和臨床試驗(yàn)提供良好的數(shù)據(jù)資料，當(dāng)然在其發(fā)揮其可檢索性時(shí)，也需利用上述兩點(diǎn)對(duì)隱私數(shù)據(jù)進(jìn)行適當(dāng)隱匿。上述如圖1：區(qū)塊鏈電子病歷模型。

3 區(qū)塊鏈電子病歷模型

電子病歷數(shù)據(jù)在經(jīng)過(guò)收集后，需要對(duì)其中的數(shù)據(jù)進(jìn)行分類處理。由于區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)中的全節(jié)點(diǎn)有遍歷所有區(qū)塊數(shù)據(jù)的能力，病歷數(shù)據(jù)不經(jīng)分類處理直接上傳到區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)中勢(shì)必會(huì)引起諸多隱私問(wèn)題。但如若將病歷數(shù)據(jù)完全加密，加密后的數(shù)據(jù)將不能滿足檢索與統(tǒng)計(jì)的需求。為此將病歷數(shù)據(jù)中隱私部分與公開(kāi)部分進(jìn)行分離，可以在不造成隱私泄露問(wèn)題的同時(shí)，滿足對(duì)病歷數(shù)據(jù)的檢索與分析需求。

3.1非隱私數(shù)據(jù)

根據(jù)《電子病歷基本規(guī)范》第十一條規(guī)定電子病歷系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)建立個(gè)人信息庫(kù)包括姓名、性別、出生日期、民族、婚姻狀況、職業(yè)、工作單位、住址、有效身份證件號(hào)碼、社會(huì)保障號(hào)碼或醫(yī)療保險(xiǎn)號(hào)碼、聯(lián)系電話等，其中姓氏、性別等屬于非隱私數(shù)據(jù)，非隱私數(shù)據(jù)是指他人獲取的信息從各個(gè)角度而言對(duì)信息擁有者無(wú)影響，信息獲取者也無(wú)法從此類信息中得知特定的一人。舉例來(lái)說(shuō)，在不經(jīng)過(guò)患者途徑而由醫(yī)療機(jī)構(gòu)直接通過(guò)合法數(shù)據(jù)買(mǎi)賣(mài)交易的情況下，電子病歷中的病種、治療方法、姓氏以及性別等可以同時(shí)提供給另一交易方，這些數(shù)據(jù)信息整合在一起是無(wú)法特指某一個(gè)人的，因此稱此類信息為非隱私數(shù)據(jù)。從患者角度來(lái)看，上述數(shù)據(jù)依然能被稱為隱私數(shù)據(jù)，但隱私數(shù)據(jù)會(huì)不同程度地受到公共利益的影響而成為非隱私數(shù)據(jù)。

3.2隱私數(shù)據(jù)

在某種程度上，未公開(kāi)的電子病歷信息均可稱為隱私數(shù)據(jù)，此類數(shù)據(jù)是個(gè)人不愿公開(kāi)，且不愿被他人知曉的信息。電子病歷上的數(shù)據(jù)大多屬于個(gè)人信息，而個(gè)人信息大多是隱私數(shù)據(jù)，是與公共利益無(wú)關(guān)的一類，并且當(dāng)其死亡之時(shí)也不可隨意泄露?！?018年政務(wù)公開(kāi)工作要點(diǎn)》提出對(duì)于其他涉及個(gè)人隱私的政府信息公開(kāi)時(shí)，要標(biāo)識(shí)化處理，選擇恰當(dāng)?shù)姆绞胶头秶鶾6]，據(jù)此便可得到隱私信息需要標(biāo)識(shí)化處理這一數(shù)據(jù)保護(hù)設(shè)計(jì)點(diǎn)。

4分類數(shù)據(jù)加密

電子病歷數(shù)據(jù)隱私內(nèi)容與公開(kāi)內(nèi)容各有不同的隱私需求，根據(jù)隱私需求的不同，需對(duì)電子病歷數(shù)據(jù)進(jìn)行差異化處理。

4.1 可公開(kāi)文本數(shù)據(jù)處理

此類數(shù)據(jù)在信息泄露問(wèn)題上基本可忽略，只需將其格式標(biāo)準(zhǔn)化再做簡(jiǎn)單處理即可。以太坊支持在交易中帶入十六進(jìn)制數(shù)據(jù)，并可以通過(guò)區(qū)塊瀏覽器將十六進(jìn)制信息轉(zhuǎn)UTF-8格式來(lái)顯示交易附屬信息。以太坊的此種設(shè)計(jì)被諸多區(qū)塊鏈產(chǎn)品所借鑒，如今支持智能合約的公有鏈均可通過(guò)此種方式將數(shù)據(jù)寫(xiě)入?yún)^(qū)塊鏈中。對(duì)于病歷數(shù)據(jù)的處理以以太坊為例，對(duì)記錄的病歷信息中非敏感信息（例如姓名、病種、治療方法等）以UTF_8方式編碼，對(duì)于不支持該編碼方式編碼的數(shù)據(jù)則進(jìn)行十六進(jìn)制轉(zhuǎn)換。上述信息在刪除冗余后，統(tǒng)一進(jìn)行十六進(jìn)制轉(zhuǎn)換，并利用hash算法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行操作，與斯坦福的pwdhash（即將用戶的密碼替換為密碼和網(wǎng)站域結(jié)合在一起的散列，雖然用戶只記住一個(gè)密鑰，但每個(gè)站點(diǎn)收到的密鑰都是唯一的[7]）不同，我們以SHA-256算法（SHA256（SHA256（version+prev-hash+merkle-root+ntime+nbits+X））

4.2 隱私文本數(shù)據(jù)處理

與可公開(kāi)文本數(shù)據(jù)不同的是，該類數(shù)據(jù)涉及個(gè)人隱私權(quán)限，其有必要先進(jìn)行加密處理后再做其他處理。該類數(shù)據(jù)以UTF-8編碼后轉(zhuǎn)為二進(jìn)制，進(jìn)行一次AES加密（通過(guò)干流水段對(duì)輪函數(shù)進(jìn)行劃分，流水段不同選擇的并行密碼是不同的，將多個(gè)輪函數(shù)同時(shí)運(yùn)行，可以使輪函數(shù)更加快速地執(zhí)行）[11]，其中分布式AES加密方式通過(guò)使用切片算法對(duì)大數(shù)據(jù)文件進(jìn)行分割，得到能夠獨(dú)立執(zhí)行AES加密算法的數(shù)據(jù)分片[12]，且加密密鑰由信息上傳者所擁有。加密后的信息則在十六進(jìn)制轉(zhuǎn)碼后做好上鏈準(zhǔn)備。由于該信息已進(jìn)行至少一次AES加密，則只需保證加密密鑰不被泄露。數(shù)據(jù)上鏈后，其他用戶想要窺得數(shù)據(jù)內(nèi)容將具有很高難度。如需提高加密程度，可選用匿名性更高的零知識(shí)證明加密法。

4.3 圖片數(shù)據(jù)處理

對(duì)于病歷信息中的圖片數(shù)據(jù)，由于目前公鏈中沒(méi)有超文本傳輸協(xié)議相關(guān)設(shè)計(jì)，不支持對(duì)圖片數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼后傳輸。故現(xiàn)階段可采用尋址儲(chǔ)存方式作為替代選項(xiàng)。目前已有完善的開(kāi)源尋址儲(chǔ)存項(xiàng)目如IPFS、MaidSafe等。在上述技術(shù)的基礎(chǔ)上，通過(guò)加入節(jié)點(diǎn)準(zhǔn)入證明構(gòu)建聯(lián)盟鏈，構(gòu)建分布式流媒體節(jié)點(diǎn)——通過(guò)一致性哈希重新設(shè)計(jì)了數(shù)據(jù)并行和模型分片方案，使系統(tǒng)能夠適應(yīng)數(shù)據(jù)流環(huán)境和集群計(jì)算能力的動(dòng)態(tài)變化[13-15]，如此便可簡(jiǎn)便地搭建一個(gè)受監(jiān)管的尋址儲(chǔ)存網(wǎng)絡(luò)。將圖片上傳至尋址儲(chǔ)存網(wǎng)絡(luò)后將返還定位該文件的唯一哈希值，此哈希值可經(jīng)過(guò)十六進(jìn)制轉(zhuǎn)碼后發(fā)送至區(qū)塊鏈中，如圖片數(shù)據(jù)涉及敏感數(shù)據(jù)，可對(duì)上鏈哈希值進(jìn)行一次加密計(jì)算，增強(qiáng)數(shù)據(jù)的匿名性。

5電子病歷“交易”上鏈

通過(guò)對(duì)病歷采集數(shù)據(jù)的三方面處理，所有的病歷數(shù)據(jù)已轉(zhuǎn)碼為十六進(jìn)制以符合以太坊數(shù)據(jù)格式。轉(zhuǎn)碼電子病歷在保持原有內(nèi)容結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，以交易附屬信息形式附于交易中，當(dāng)用戶完成此筆交易，經(jīng)過(guò)足夠多的區(qū)塊確認(rèn)后，病歷數(shù)據(jù)即完成上鏈。用戶若需查詢某一具體病歷數(shù)據(jù)，可通過(guò)兩種方式。一是以交易哈希進(jìn)行定位，查詢某一具體的病歷數(shù)據(jù);二是通過(guò)對(duì)全區(qū)塊數(shù)據(jù)中某一關(guān)鍵詞的十六進(jìn)制進(jìn)行檢索。后者亦可在病歷數(shù)據(jù)規(guī)范的前提下完成對(duì)含有某一關(guān)鍵詞的病歷數(shù)據(jù)的檢索。對(duì)于上鏈數(shù)據(jù)如需進(jìn)行下載，逆向進(jìn)行轉(zhuǎn)碼與加密過(guò)程即可還原電子病歷。

6 結(jié)束語(yǔ)

本文提出身份信息半匿名的電子病歷以適應(yīng)區(qū)塊鏈分布式存儲(chǔ)，且還需具有可讀性以及可檢索性的電子病歷在區(qū)塊鏈分布式存儲(chǔ)上有實(shí)際價(jià)值。文中隱私數(shù)據(jù)保護(hù)機(jī)制針對(duì)不同層次的信息進(jìn)行差異劃分，并采用不同加密等級(jí)的方式加密，在對(duì)加密后數(shù)據(jù)十六進(jìn)制轉(zhuǎn)碼后均進(jìn)行上鏈準(zhǔn)備，最終當(dāng)足夠數(shù)量的區(qū)塊得以確認(rèn)則將完成上鏈。最后，對(duì)于目前區(qū)塊鏈在電子病歷上的應(yīng)用問(wèn)題，還需從用戶實(shí)際需求出發(fā)，以便尋找各類實(shí)際應(yīng)用問(wèn)題。

參考文獻(xiàn)：

[1] 張銀平.對(duì)區(qū)塊鏈的幾點(diǎn)認(rèn)識(shí)[J].求知，2018（10）：42-43.

[2] Wang S P， Zhang Y L. A blockchain-based framework for data sharing with fine-grained access control in decentralized storage systems[J].IEEE Access，2018，6：38437-38450.

[3] 琚春華，鄒江波，傅小康.融入?yún)^(qū)塊鏈技術(shù)的大數(shù)據(jù)征信平臺(tái)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用研究[J].計(jì)算機(jī)科學(xué)，2018，45（S2）：522-526，552.

[4] 郭瑤.區(qū)塊鏈理念高職教學(xué)評(píng)價(jià)學(xué)徒制改革策略[J].中國(guó)管理信息化，2019，22（3）：219-221.

[5] MORRIS D Z.Leaderless，blockchain-based venture capital? fund raises $100 Million，andcounting[J/OL].Fortune，2016（5）：1-5.http：//fortune.com/2016/05/15/leaderless-blockchain-vc-fund.

[6] 湯琪.國(guó)務(wù)院要求保護(hù)個(gè)人隱私指令下達(dá)后，多地政府網(wǎng)站仍有泄露[N].澎湃新聞，2018-05-06.

[7] Llewellyn-Jones， David Rymer， Graham Matthew.PwdHash：ABruteforce Attack on Client-side Password Hashing[J].Lecture Notes in Computer Science，2017.

[8] 高杰.SHA256加密算法在比特幣中的關(guān)鍵作用研究[J].納稅，2017（28）：142.

[9] 冷迪.一種基于哈希散列技術(shù)進(jìn)行文件對(duì)象存儲(chǔ)和檢索的方法——海量文件系統(tǒng)數(shù)據(jù)訪問(wèn)和檢索性能加速研究[J].中國(guó)新通信，2018，20（23）：106-107.

[10] Bustio-Martínez L，Letras-Luna M，Cumplido R，et al.Using hashing and lexicographic order for Frequent Itemsets Mining on data streams[J].Journal of Parallel and Distributed Computing，2019，125：58-71.

[11] 張舜標(biāo).基于密碼流處理器的AES算法軟件流水實(shí)現(xiàn)[J].信息技術(shù)與信息化，2018（6）：54-56.

[12] 廖建飛，莫太平，黃進(jìn)財(cái).數(shù)據(jù)分塊并行優(yōu)化的分布式AES加密算法[J].科技通報(bào)，2017，33（5）：102-105.

[13] 叢義昊.基于數(shù)據(jù)流的分布式實(shí)時(shí)推薦算法的研究與實(shí)現(xiàn)[D].北京：北京郵電大學(xué)，2018.

[14] 戴卓臣，陸江東.面向數(shù)據(jù)加密的多核多線程并行研究[J].電子設(shè)計(jì)工程，2018，26（8）：183-187.

[15] 汪曙光，蘇亮亮，王琨，等.基于多比特量化的哈希方法[J].傳感器與微系統(tǒng)，2018，37（12）：5-8.

【通聯(lián)編輯：王力】