基于區(qū)塊鏈的冬季項目遠程支援平臺架構設計

王小偉，呂友輝

（1鄭州大學體育學院信息管理中心 河南 鄭州 450052）

（2鄭州澍青醫(yī)學高等?？茖W校 河南 鄭州 450064）

0 引言

傳統(tǒng)的信息系統(tǒng)大都采用中心化部署，這種部署方式對于中心節(jié)點依賴性較強，一旦中心節(jié)點出現(xiàn)故障或者遭到攻擊，將會導致整個系統(tǒng)癱瘓，極端情況下可能會造成數(shù)據(jù)丟失，造成巨大的損失。而且，運動員在遇到運動損傷的時候，希望能第一時間接受治療，可能會需要不同醫(yī)院的醫(yī)生共同會診，因此需要歷史傷病記錄是互信的、可查的，這樣可節(jié)約診療時間，避免不必要的重復檢查及醫(yī)療費用的額外支出。運動員傷病信息屬于重要的戰(zhàn)略資源，不允許被對手竊取，因此對外需要匿名，對內則需要如實準確記錄，不可篡改。這樣在運動員康復訓練、備戰(zhàn)過程中才能有的放矢，進行有針對性的訓練與治療。如何保證傷病運動員診療信息可靠、可信，是迫切需要解決的問題。

區(qū)塊鏈[1]是一種分布式賬本技術，每個節(jié)點都存儲一份數(shù)據(jù)，具有高冗余性、去中心化、高安全性等特點，可有效避免因中心節(jié)點遭受攻擊或因管理不當而造成的大規(guī)模數(shù)據(jù)丟失或泄露等問題，十分適合用來存儲重要數(shù)據(jù)。徐健等[2]提出了一個基于區(qū)塊鏈技術的實時安全醫(yī)療記錄解決方案(RSMR)，在數(shù)據(jù)存儲過程中利用星際文件系統(tǒng)(IPFS)進行數(shù)據(jù)存儲，并給出了詳細的智能合約方案。高夢婕[3]根據(jù)病人匿名就醫(yī)的現(xiàn)實需求，提出了一種基于區(qū)塊鏈的醫(yī)療數(shù)據(jù)簽密方案，并給出了系統(tǒng)模型和安全模型，進行了安全性證明和性能分析。張利華等[4]提出了一個基于聯(lián)盟鏈的去中心化的雙鏈存儲模型，用于存儲鐵路沿線監(jiān)測數(shù)據(jù)。從各類文獻可看出，將區(qū)塊鏈技術用于遠程支援平臺具有很好的技術基礎。

本文嘗試構建一個基于區(qū)塊鏈的運動醫(yī)療與康復遠程支援平臺，將運動員歷史診療信息存儲到區(qū)塊鏈平臺，利用區(qū)塊鏈技術的不可逆、防篡改等特性，解決在遠程診療過程中存在的互信問題及單點故障問題。

1 相關概念

1.1 區(qū)塊鏈基本原理

區(qū)塊鏈（blockchain）是一種按照時間順序排列的鏈式結構[5]，運用了非對稱加密、哈希函數(shù)、時間戳、共識機制、點對點網(wǎng)絡等技術，具有去中心化、不可篡改、可追溯、全程留痕、公開可驗證、代碼開源等特點。

傳統(tǒng)分布式數(shù)據(jù)庫由中心服務器維護數(shù)據(jù)，對中心服務器依賴性較強，一旦中心服務器出現(xiàn)故障將導致所有服務中斷，還可能造成數(shù)據(jù)丟失。而區(qū)塊鏈中數(shù)據(jù)由所有節(jié)點共同維護，每個節(jié)點都保存一份完整的數(shù)據(jù)，即便某些節(jié)點發(fā)生故障也不會導致數(shù)據(jù)的丟失，所有參與節(jié)點以共同記賬的方式來維護數(shù)據(jù)庫。區(qū)塊鏈節(jié)點之間通過共識算法來保證數(shù)據(jù)的一致性[6]，通過計算哈希值是否發(fā)生變化來判斷數(shù)據(jù)是否被篡改。

1.2 區(qū)塊鏈的結構

一個區(qū)塊由區(qū)塊頭和區(qū)塊體兩部分組成[7-8]。區(qū)塊頭中保存的信息有前一區(qū)塊哈希、版本、時間戳、難度、隨機數(shù)、merle根。區(qū)塊體中保存的是每筆交易及其哈希值構成的merle樹，區(qū)塊之間通過將前一區(qū)塊的hash值添加至后一區(qū)塊的區(qū)塊頭中，從而形成了鏈式結構，見圖1。

2 冬季項目遠程支援平臺需求分析

基于區(qū)塊鏈的冬季項目遠程支援平臺，主要目的是為運動員遠程診療提供平臺支撐，當隊醫(yī)需要場外醫(yī)生遠程協(xié)助時，能夠隨時開啟遠程會診模式，為專家遠程會診提供平臺支撐。同時為使專家團隊能迅速了解運動員歷史傷病情況，需要能夠及時準確地獲取到傷病運動員的歷史病歷記錄，以便傷病運動員能快速獲取診療援助?？紤]到運動員的特殊性，診療信息需要安全、可靠、保密，計劃采用區(qū)塊鏈技術來進行診療數(shù)據(jù)的存儲，鏈上數(shù)據(jù)不可篡改，可信可靠。在遠程診療過程中的數(shù)據(jù)不必上鏈接，只需要存儲在本地服務器即可，這樣可節(jié)省鏈上空間。

2.1 平臺功能模塊

根據(jù)前面描述，冬季項目遠程支援平臺主要為冬季項目訓練隊伍提供遠程醫(yī)療支撐，主要使用者為隊醫(yī)、運動員、教練員及場外醫(yī)生團隊。業(yè)務功能劃分見圖2。

整個系統(tǒng)分為5個功能模塊：注冊/登錄模塊、運動員病歷管理模塊、處方跟蹤模塊、遠程會議管理模塊、后臺管理模塊。

（1）注冊/登錄模塊：該模塊為不同身份用戶提供相應入口，包括用戶注冊、登錄等功能。考慮到安全性，不允許匿名注冊，所有用戶通過小程序實名認證，認證后賦予相應角色。

（2）運動員病歷管理模塊：該模塊為傷病運動員提供病歷管理。該處病歷通常由隊醫(yī)發(fā)起，對運動員進行傷病診療，將診療處方及就診情況存儲到區(qū)塊鏈上；當運動員需要場外醫(yī)生協(xié)助診療的時候，可通過授權場外醫(yī)生查看歷史病歷處方。個人信息模塊主要是提供查閱或修改患者信息功能。

（3）處方跟蹤模塊：該部分主要是隊醫(yī)根據(jù)運動員傷病情況開具處方，如果涉及用藥，還需要反興奮劑專員的審核，如果需要場外醫(yī)生協(xié)助，還需要發(fā)起遠程會議進行多方會診。

（4）遠程支援會議管理模塊：當隊醫(yī)需要場外醫(yī)生協(xié)助時，可實時發(fā)起線上會議進行遠程會診，這部分內容屬于過程性內容，通常占用空間會比較大，不適合存儲到區(qū)塊鏈上，因此該部分內容保存到鏈接下，當需要查詢的時候，可以在鏈接下查詢。

（5）后臺管理模塊：主要包括用戶管理、團隊管理、場外醫(yī)生管理等功能。

2.2 平臺模型框架

根據(jù)前面功能分析，運動員診療信息需要存儲到區(qū)塊鏈上。結合公有鏈、聯(lián)盟鏈特性，運動員診療信息屬于重要的戰(zhàn)略資源，不適合存儲在公有鏈上，因此選擇聯(lián)盟鏈，聯(lián)盟成員要有準入機制。通常的做法是創(chuàng)建一個通道，邀請聯(lián)盟內成員進入該通道，信息對于聯(lián)盟內成員是公開透明的，但對于通道外的其他成員是無法訪問的，這樣可保證通道內是一個隔離的賬本。有時候，即便是同一個聯(lián)盟內也不希望別人輕易獲取到傷病運動員的信息，因此傷病運動員診療信息在上鏈之前可采用非對稱加密算法，對診療信息加密后上傳。診療信息的解密，只有傷病運動員自身的密鑰才能解開，這樣就充分保障了傷病運動員的個人隱私不被泄露。遠程支援平臺的邏輯結構圖見圖3。

表示層：即前端頁面，針對不同登錄用戶，表示層通過導航欄引導，幫助用戶完成相關業(yè)務操作。

業(yè)務邏輯層：涉及具體業(yè)務邏輯，包括注冊登錄管理、運動員病歷管理、處方跟蹤、遠程診療會議管理等操作，屬于網(wǎng)站的后臺服務。

數(shù)據(jù)訪問層：主要為區(qū)塊鏈網(wǎng)絡和本地的數(shù)據(jù)庫設計數(shù)據(jù)交互接口。一方面與區(qū)塊鏈網(wǎng)絡進行數(shù)據(jù)交互，另一方面則通過調用 MySQL客戶端操作本地數(shù)據(jù)庫。

3 平臺模塊設計

冬季項目遠程支援平臺基本功能實現(xiàn)跟本地平臺大部分相同，唯一不同的地方就在于診療數(shù)據(jù)是存在區(qū)塊鏈上的，需要到區(qū)塊鏈上來存取數(shù)據(jù)。本部分對系統(tǒng)主要部分進行模塊設計。

3.1 注冊/登錄模塊

如圖4所示，用戶在注冊時，通過調用SDK執(zhí)行智能合約，獲取鏈上身份，注冊完成將得到唯一的加密地址作為用戶ID，以及用戶的公私鑰對（PK，SK），在客戶端上還將獲得一個存放個人病歷信息的文件夾UserFold，用于存放用戶在本次診療過程中產(chǎn)生的各類電子記錄EMR(Electronic medical records)。初始用戶結構體如式（1）所示：

用戶正常登錄時，通過調用智能合約，可根據(jù)ID到區(qū)塊鏈上查詢個人信息及加密的電子病歷。

3.2 運動員病歷管理模塊

病歷管理模塊涉及5個實體，即隊醫(yī)、運動員、教練員、區(qū)塊鏈、場外醫(yī)生。場外醫(yī)生和隊醫(yī)的角色相類似，教練和運動員的角色類似，他們的角色見圖5。

隊醫(yī)負責生成、發(fā)布運動員的診療記錄到區(qū)塊鏈，運動員可以從鏈上檢索電子診療記錄并授權給場外醫(yī)生查看，場外醫(yī)生可以在鏈上檢索經(jīng)授權的電子記錄并診斷，同時將本次診療記錄發(fā)布到鏈上。教練員經(jīng)過授權可查詢運動員的診療記錄。

隊醫(yī)：相當于醫(yī)生，收到運動員請求后，為運動員診斷并生成傷病診療記錄，經(jīng)加密處理后上傳到鏈上。該角色在提供診療服務時可要求患者提供歷史傷病記錄，并從區(qū)塊鏈檢索相關數(shù)據(jù)進行驗證。

運動員：即患者，是個人傷病診療信息的擁有者。在接受隊醫(yī)或場外醫(yī)生診斷后獲取傷病診療記錄的相關證明憑證，利用此憑證驗證電子診療記錄的有效性。在更換其他醫(yī)生時，患者可提供歷史電子診療記錄獲取更準確、更高效的醫(yī)療服務，但為了避免電子診療記錄被惡意傳播，患者不直接提供電子診療記錄，而是利用加密處理過的電子診療記錄。

教練員：具有運動員診療數(shù)據(jù)訪問需求，訪問時需要獲得權限。

區(qū)塊鏈：采用聯(lián)盟鏈，通過創(chuàng)建通道，形成相對隔離的聯(lián)盟賬本，聯(lián)盟內所有節(jié)點共同維護賬本，運動員將在區(qū)塊鏈上完成匿名化就醫(yī)。

3.2.1 診療信息上鏈

圖6為診療信息上鏈過程，隊醫(yī)為受傷運動員診療結束后，形成電子病歷EMR，用受傷運動員的公鑰PK加密診療信息，加密后得到一個唯一文件HDF，加密過程用公式（2）表示：

隊醫(yī)或醫(yī)生在注冊后也將獲得自己的加密地址作為唯一ID及自己的公私鑰對（PKd，smd），對于醫(yī)生的公私鑰，主要用來簽名及驗證身份。

隊醫(yī)在診療結束后要為本次診療服務負責，因此需要隊醫(yī)用自己的私鑰smd簽名，用于身份驗證，之后將加密后的文件HDF及EMR保存至患者文件夾UserFold，等待上傳至區(qū)塊鏈。簽名過程用公式（3）表示：

3.2.2 診療信息查詢與下載

隊醫(yī)或醫(yī)生在收到傷病運動員請求后，根據(jù)運動員提供ID在區(qū)塊鏈上查詢運動員傷病診療信息LockFile，這時隊醫(yī)/醫(yī)生可以查到運動員診療信息，但是無法解密，需要獲得受傷運動員的授權才能夠解密。在解密前，還需要驗證醫(yī)生的簽名igd，驗證通過后可得到原文件EMR，見圖7。

驗證簽名過程用公式（4）表示：

解密公式為式（5）：

3.3 處方跟蹤模塊

處方跟蹤流程見圖8，隊醫(yī)在收到運動員請求后，首先給出初診結果，如果隊醫(yī)能夠處理，那么可以直接開出處方，如果需要場外醫(yī)生或專家遠程協(xié)助，那么需要預約，發(fā)起在線診療會議，會議結束后，根據(jù)專家意見開出處方。如果處方中沒有藥品，那么可直接確認處方。如果處方中含有藥品，那么還需要反興奮劑專員來確認是否符合反興奮劑要求，如果不符合，那么需要隊醫(yī)重新開具處方；如果符合要求，則由隊醫(yī)確認處方，流程結束。

3.4 遠程會診模塊

遠程會診模塊的實現(xiàn)借助第三方聲網(wǎng)接口，完成實時視頻會議功能，視頻會議系統(tǒng)支持實時通話、實時視頻，還可以發(fā)送圖片、小視頻、語音等，支持異步會議，這樣可方便因國內外時差不同而導致的不便。同時為了保障視頻信息的長期存儲以備后查，將視頻會議過程信息拉取到本地服務器，在需要查看時可通過查看歷史記錄來進行查閱。

3.5 后臺管理模塊

后臺管理模塊主要包括用戶管理、團隊管理、場外醫(yī)生管理等功能。用戶管理主要是系統(tǒng)用戶、小程序用戶，用戶可能存在多個角色。團隊管理主要是運動隊管理，通常一支運動隊包含領隊、隊員、教練、隊醫(yī)、反興奮劑專員等。場外醫(yī)生管理：主要是當隊醫(yī)需要場外協(xié)助時，可能會需要不同醫(yī)院的醫(yī)生共同來會診，才能最終下結論，因此場外醫(yī)生管理，其實包含了醫(yī)院管理、醫(yī)生管理、科室管理。

4 結語

本文設計了一個基于區(qū)塊鏈的冬季項目遠程診療支援平臺，用于解決傷病運動員的遠程會診問題，根據(jù)業(yè)務需求設計了5個功能模塊，給出了系統(tǒng)的邏輯結構模型，對系統(tǒng)關鍵模塊的流程進行了詳細設計。為保障運動員診療信息的安全可靠可信，使用了區(qū)塊鏈技術，一方面解決傳統(tǒng)的集中存儲帶來的單點故障問題，另一方面將運動員病歷信息存儲到區(qū)塊鏈上，任何人不能篡改，通過密碼技術使得只有經(jīng)過授權的教練、醫(yī)生才能夠查看特定的信息，充分保障了信息的安全可靠。同時區(qū)塊鏈技術還可解決信息的互信問題，當需要不同醫(yī)院的醫(yī)生共同會診時，需要歷史傷病記錄是互信可查的，具體實現(xiàn)各項功能，真正為運動隊提供服務。