區(qū)塊鏈技術(shù)視域下的醫(yī)療數(shù)據(jù)共享安全平臺(tái)設(shè)計(jì)研究

王維，宋倩

（新鄉(xiāng)醫(yī)學(xué)院 三全學(xué)院，河南 新鄉(xiāng) 453003）

0 引言

在信息化時(shí)代背景下，醫(yī)療領(lǐng)域逐步推進(jìn)大數(shù)據(jù)平臺(tái)建設(shè)管理工作，已取得一定成效，但總體而言，仍存在一定問題，如信息孤島普遍存在、標(biāo)準(zhǔn)化難以實(shí)施、數(shù)據(jù)安全缺乏保障等，因此，為提高醫(yī)療數(shù)據(jù)共享安全平臺(tái)建設(shè)效果，應(yīng)合理運(yùn)用區(qū)塊鏈技術(shù)，在其防篡改加密機(jī)制、共識(shí)機(jī)制、智能合約的應(yīng)用下實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)分布式管理及平臺(tái)共享共治，以此提升醫(yī)療數(shù)據(jù)共享安全平臺(tái)應(yīng)用實(shí)效。

1 醫(yī)療領(lǐng)域中區(qū)塊鏈技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀

隨著醫(yī)療領(lǐng)域信息化改革進(jìn)程的推進(jìn)，各醫(yī)療相關(guān)機(jī)構(gòu)紛紛搭建了大數(shù)據(jù)平臺(tái)，但具有目前所表現(xiàn)出的效果來看，仍存在一定缺陷，平臺(tái)信息收集缺乏統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，收集的信息零散，難以形成一套記錄患者完整醫(yī)療信息的數(shù)據(jù)系統(tǒng)。針對(duì)上述問題，研究人員借助區(qū)塊鏈技術(shù)天然適合記錄數(shù)據(jù)信息的特性，將不準(zhǔn)確和存在差異影響的醫(yī)療記錄上鏈，此時(shí)各醫(yī)療機(jī)構(gòu)可依據(jù)所采集的完整數(shù)據(jù)鏈提取各自所需信息，以此有效解決了大數(shù)據(jù)平臺(tái)缺乏統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的弊端。除此之外，還可基于區(qū)塊鏈技術(shù)構(gòu)建電子病歷，用于整理疾病數(shù)據(jù)、健康數(shù)據(jù)（生命體征、病史手術(shù)、診斷結(jié)果、記錄服藥等）、涉醫(yī)數(shù)據(jù)（如醫(yī)療器械、醫(yī)護(hù)人員等）。

現(xiàn)階段部分醫(yī)療領(lǐng)域項(xiàng)目內(nèi)已充分應(yīng)用了區(qū)塊鏈技術(shù)，如阿里健康所提出的“醫(yī)聯(lián)體+區(qū)塊鏈”試點(diǎn)項(xiàng)目，其將區(qū)塊鏈技術(shù)融入到了基層醫(yī)聯(lián)體管理中，為當(dāng)?shù)夭糠轴t(yī)療機(jī)構(gòu)提供了高安全、低成本的數(shù)據(jù)互聯(lián)互通方式，在一定程度上緩解了醫(yī)療機(jī)構(gòu)數(shù)據(jù)安全、信息孤島問題。結(jié)合上述分析可見，區(qū)塊鏈技術(shù)與醫(yī)療領(lǐng)域大數(shù)據(jù)共享安全管理的適配度較高，因此，在設(shè)計(jì)醫(yī)療數(shù)據(jù)共享安全平臺(tái)時(shí)，需合理利用區(qū)塊鏈技術(shù)。

2 基于區(qū)塊鏈技術(shù)的醫(yī)療數(shù)據(jù)共享安全平臺(tái)設(shè)計(jì)分析

新鄉(xiāng)醫(yī)學(xué)院三全學(xué)院重視創(chuàng)新改革工作，在醫(yī)療大數(shù)據(jù)的技術(shù)應(yīng)用上，有著充足的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，為提高醫(yī)療數(shù)據(jù)共享安全管理效果，新鄉(xiāng)醫(yī)學(xué)院三全學(xué)院與翔宇醫(yī)療、中科曙光等國內(nèi)一線軟件公司、醫(yī)療大數(shù)據(jù)公司開展深度的戰(zhàn)略合作，致力于借助區(qū)塊鏈技術(shù)設(shè)計(jì)醫(yī)療數(shù)據(jù)共享安全平臺(tái)。

2.1 整體架構(gòu)

傳統(tǒng)的醫(yī)療大數(shù)據(jù)平臺(tái)是依托Hadoop 或Spark 等大數(shù)據(jù)技術(shù)實(shí)現(xiàn)的一整套處理醫(yī)療大數(shù)據(jù)、臨床大數(shù)據(jù)、健康大數(shù)據(jù)等的平臺(tái)。傳統(tǒng)化數(shù)據(jù)共享主要是借助大數(shù)據(jù)平臺(tái)、數(shù)據(jù)倉庫對(duì)醫(yī)療數(shù)據(jù)進(jìn)行采集篩選、處理存儲(chǔ)、分析應(yīng)用，在實(shí)踐應(yīng)用期間，傳統(tǒng)大數(shù)據(jù)平臺(tái)缺陷逐漸暴露，如記錄遺漏、篡改失真、信息孤島、灰色交易、隱私泄露等，極大限制了醫(yī)療大數(shù)據(jù)在特定范圍內(nèi)的流通傳遞與共享應(yīng)用。新鄉(xiāng)醫(yī)學(xué)院三全學(xué)院通過分析和整理區(qū)塊鏈技術(shù)架構(gòu)和大數(shù)據(jù)平臺(tái)技術(shù)架構(gòu)，基于醫(yī)療數(shù)據(jù)的特殊性、涉密性、隱私性、不可篡改等特性，在現(xiàn)有醫(yī)療大數(shù)據(jù)平臺(tái)應(yīng)用架構(gòu)基礎(chǔ)上，在數(shù)據(jù)整理層和數(shù)據(jù)處理層之間新增加一層區(qū)塊鏈層，依托于區(qū)塊鏈技術(shù)對(duì)醫(yī)療數(shù)據(jù)進(jìn)行加密，防止數(shù)據(jù)篡改問題，同時(shí)實(shí)現(xiàn)醫(yī)療數(shù)據(jù)同步管理、自動(dòng)預(yù)警及節(jié)點(diǎn)實(shí)時(shí)監(jiān)控，以此搭建行之有效的醫(yī)療大數(shù)據(jù)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)醫(yī)療數(shù)據(jù)共享，并提升醫(yī)療數(shù)據(jù)安全性。圖1 為基于區(qū)塊鏈技術(shù)的醫(yī)療云大數(shù)據(jù)平臺(tái)應(yīng)用架構(gòu)，即本次醫(yī)療數(shù)據(jù)共享安全平臺(tái)設(shè)計(jì)的整體架構(gòu)思路。

圖1 基于區(qū)塊鏈技術(shù)的醫(yī)療云大數(shù)據(jù)平臺(tái)應(yīng)用架構(gòu)圖

在明確醫(yī)療數(shù)據(jù)共享安全平臺(tái)設(shè)計(jì)架構(gòu)思路基礎(chǔ)上，應(yīng)進(jìn)一步梳理項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)步驟，具體如下：（1）將VisualBox虛擬機(jī)安裝至本地平臺(tái)內(nèi)，同時(shí)建立多個(gè)節(jié)點(diǎn)操作系統(tǒng)；（2）使用Nginx 搭建Web 環(huán)境，使用Java 或Python 編程語言來開發(fā)業(yè)務(wù)邏輯功能；（3）采用“Mysql+Mycat”的模式搭建醫(yī)療領(lǐng)域區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)庫應(yīng)用平臺(tái)；（4）經(jīng)綜合對(duì)比，運(yùn)用“ECC+AES+MD5”算法組合來實(shí)現(xiàn)區(qū)塊鏈中相關(guān)數(shù)據(jù)的加密解密功能；（5）突出區(qū)塊鏈共識(shí)功能，對(duì)Raft 協(xié)議進(jìn)行開發(fā)挖掘；（6）借助Python、Java 編程語言而實(shí)現(xiàn)區(qū)塊鏈智能合約功能，為醫(yī)療大數(shù)據(jù)平臺(tái)的共享共治奠定基礎(chǔ)；（7）基于ECharts 搭建可視化模擬平臺(tái)。

2.2 功能設(shè)計(jì)

新鄉(xiāng)醫(yī)學(xué)院三全學(xué)院所開展的醫(yī)療數(shù)據(jù)共享安全平臺(tái)設(shè)計(jì)項(xiàng)目主要用于解決信息孤島問題，并緩解數(shù)據(jù)安全缺乏保障、標(biāo)準(zhǔn)化難以實(shí)施等問題。結(jié)合區(qū)塊鏈技術(shù)特征提出具體解決方案，在原有醫(yī)療大數(shù)據(jù)平臺(tái)基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，并從分布式數(shù)據(jù)管理、平臺(tái)共享共治兩方面設(shè)計(jì)醫(yī)療數(shù)據(jù)共享安全平臺(tái)功能。

2.2.1 分布式數(shù)據(jù)管理

醫(yī)療數(shù)據(jù)一向比較敏感，特別是患者的臨床數(shù)據(jù)，涉及到個(gè)人隱私，因此，醫(yī)療數(shù)據(jù)共享安全平臺(tái)內(nèi)的患者關(guān)鍵敏感數(shù)據(jù)必須進(jìn)行匿名化或脫敏操作，以此避免隱私信息泄露而損害患者權(quán)益。在本次平臺(tái)設(shè)計(jì)過程中，依靠區(qū)塊鏈技術(shù)，將傳統(tǒng)大數(shù)據(jù)平臺(tái)的集中式數(shù)據(jù)管理邏輯更換為分布式數(shù)據(jù)管理邏輯，憑借區(qū)塊鏈技術(shù)的公開透明、集體維護(hù)、數(shù)據(jù)追溯、全程留痕、去中心化等特征提高醫(yī)療數(shù)據(jù)應(yīng)用合理性，避免出現(xiàn)一人或幾人控制全部數(shù)據(jù)的增刪改查操作，減少或杜絕數(shù)據(jù)被破壞的風(fēng)險(xiǎn)和數(shù)據(jù)不可用的概率，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的安全共享。在分布式數(shù)據(jù)管理邏輯設(shè)置過程中，還可依靠區(qū)塊鏈技術(shù)的防篡改加密機(jī)制而提升數(shù)據(jù)安全性，數(shù)據(jù)一旦保存在區(qū)塊鏈中，就無法再進(jìn)行任何數(shù)據(jù)的更改操作，以此避免了數(shù)據(jù)糾紛問題，杜絕醫(yī)療篡改病歷等不良事件，并為醫(yī)患糾紛的處理提供良好依據(jù)。

2.2.2 平臺(tái)共享共治

基于區(qū)塊鏈技術(shù)設(shè)計(jì)架設(shè)醫(yī)療數(shù)據(jù)共享安全平臺(tái)時(shí)，可借助區(qū)塊鏈技術(shù)的智能合約與共識(shí)機(jī)制而創(chuàng)設(shè)平臺(tái)共享共治功能，以此保障醫(yī)療數(shù)據(jù)共享效果。依托于區(qū)塊鏈技術(shù)建立醫(yī)療數(shù)據(jù)共享平臺(tái)，能夠?qū)⑨t(yī)療信息孤島銜接為一體，以此保障醫(yī)療數(shù)據(jù)傳遞傳輸效果，同時(shí)依靠區(qū)塊鏈技術(shù)的節(jié)點(diǎn)隔離、DDOS 抵抗、多重加密、共識(shí)機(jī)制、智能合約、授權(quán)監(jiān)管等特性實(shí)現(xiàn)醫(yī)療數(shù)據(jù)的共享與協(xié)作。除此之外，基于區(qū)塊鏈技術(shù)所構(gòu)建的醫(yī)療數(shù)據(jù)共享安全平臺(tái)可用于臨床研究中，借助該平臺(tái)存儲(chǔ)患者信息（如年齡性別、生理信號(hào)、癥狀診療、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、用藥療程等），并將醫(yī)療數(shù)據(jù)共享安全平臺(tái)內(nèi)的患者信息實(shí)時(shí)更新共享至醫(yī)療大樣本疾病隊(duì)列內(nèi)，用于研究重大慢性病及疑難雜癥，而在區(qū)塊鏈技術(shù)共識(shí)機(jī)作用下，即可保障醫(yī)療數(shù)據(jù)的安全性。

醫(yī)療數(shù)據(jù)共享安全平臺(tái)主要可從數(shù)據(jù)共享設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)共治設(shè)計(jì)兩個(gè)方面實(shí)現(xiàn)共享共治功能。第一，數(shù)據(jù)共享設(shè)計(jì)。數(shù)據(jù)共享通過數(shù)據(jù)共識(shí)算法來實(shí)現(xiàn)，而在平臺(tái)設(shè)計(jì)架設(shè)時(shí)常用的數(shù)據(jù)共識(shí)算法主要包括DpoS、PoS、Raft、Ripple、PoW等，而結(jié)合醫(yī)療大數(shù)據(jù)平臺(tái)需求來看，其主要借助該平臺(tái)控制數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)，在實(shí)際設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)綜合考慮實(shí)現(xiàn)難度及效率而選擇數(shù)據(jù)共識(shí)算法。在本次醫(yī)療數(shù)據(jù)共享安全平臺(tái)設(shè)計(jì)中，所選擇的數(shù)據(jù)共識(shí)算法為Raft 算法，其主要依靠分布式一致性協(xié)議管理醫(yī)療數(shù)據(jù)，并采用分布式的方式存儲(chǔ)醫(yī)療數(shù)據(jù)。在分布式算法邏輯實(shí)現(xiàn)過程中，為保障醫(yī)療數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性與實(shí)時(shí)性，應(yīng)實(shí)現(xiàn)ACP 外部一致與ACID 內(nèi)部一致，用于提高分布式數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)間存儲(chǔ)及節(jié)點(diǎn)間同步的有序性及正確性。第二，數(shù)據(jù)共治設(shè)計(jì)。數(shù)據(jù)共治采用數(shù)據(jù)區(qū)塊預(yù)警及節(jié)點(diǎn)監(jiān)控的思路，使用智能合約程序來進(jìn)行自動(dòng)化管理，在此過程中無需人為干預(yù)。在醫(yī)療數(shù)據(jù)共享安全平臺(tái)應(yīng)用之前，需以業(yè)務(wù)需求為依據(jù)編寫算法程序并運(yùn)行，由程序來實(shí)時(shí)監(jiān)控區(qū)塊數(shù)據(jù)及各個(gè)節(jié)點(diǎn)的運(yùn)行是否正常，如果發(fā)現(xiàn)區(qū)塊數(shù)據(jù)出現(xiàn)異?；蚬?jié)點(diǎn)運(yùn)行出現(xiàn)故障，則馬上報(bào)警并通知相關(guān)研發(fā)人員進(jìn)行處理，提高系統(tǒng)的健壯性和魯棒性。

2.3 安全設(shè)計(jì)

2.3.1 設(shè)計(jì)思路

為有效解決傳統(tǒng)醫(yī)療大數(shù)據(jù)平臺(tái)所存在的數(shù)據(jù)傳輸安全性，借助區(qū)塊鏈技術(shù)對(duì)醫(yī)療數(shù)據(jù)進(jìn)行加密，在平臺(tái)設(shè)計(jì)過程中，最常應(yīng)用的加密算法主要包括三類，即非對(duì)稱密鑰算法（如ECC、RSA）、對(duì)稱密鑰算法（如AES、DEA）、Hash 算法（如SHA1、MD5）。在平臺(tái)安全設(shè)計(jì)過程中，醫(yī)療數(shù)據(jù)傳輸期間常見安全影響因素進(jìn)行分析，并依托于區(qū)塊鏈技術(shù)展開針對(duì)性解決，在實(shí)際設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)在保障平臺(tái)數(shù)據(jù)安全與運(yùn)行效率基礎(chǔ)上，合理選擇加密算法。在本次醫(yī)療數(shù)據(jù)共享安全平臺(tái)設(shè)計(jì)項(xiàng)目中，將三類加密算法進(jìn)行整合，應(yīng)用混合加密算法“ECC+AES+MD5”加密并驗(yàn)證醫(yī)療數(shù)據(jù)，使三類加密算法協(xié)同發(fā)揮作用，大幅提升醫(yī)療數(shù)據(jù)安全性。

2.3.2 算法對(duì)比

為驗(yàn)證加密算法安全保護(hù)效果而對(duì)比分析三類加密算法。

第一，非對(duì)稱性密鑰加密算法對(duì)比。表1 為非對(duì)稱性密鑰加密算法對(duì)比結(jié)果，根據(jù)表1 可見，ECC 算法計(jì)算量相對(duì)較低、攻擊能力強(qiáng)、處理速度快、帶寬要求低，因此，在非對(duì)稱算法中，本次選擇了ECC 算法，但該算法不適用于大數(shù)據(jù)解密加密，故需與其他加密算法協(xié)同應(yīng)用。

表1 非對(duì)稱性密鑰加密算法對(duì)比結(jié)果

第二，對(duì)稱性密鑰加密算法對(duì)比。表2 為對(duì)稱性密鑰加密算法對(duì)比結(jié)果，根據(jù)表2 可見，相較于DES 算法，AES算法更具優(yōu)勢(shì)，因此，在對(duì)稱性密鑰加密算法中，本次醫(yī)療數(shù)據(jù)共享安全平臺(tái)安全設(shè)計(jì)選擇AES 算法，而AES 算法在加密數(shù)據(jù)量相對(duì)較大的情況下更適用，故為保障數(shù)據(jù)加密效果，還需合理選擇HASH 算法。

表2 對(duì)稱性密鑰加密算法對(duì)比結(jié)果

第三，HASH 算法對(duì)比。HASH 算法可將目標(biāo)醫(yī)療數(shù)據(jù)文本轉(zhuǎn)化為相同長度的消息摘要或不可逆哈希字符串，而加密算法則可目標(biāo)醫(yī)療數(shù)據(jù)文本轉(zhuǎn)化為可逆密文，在安全設(shè)計(jì)過程中，借助HASH 算法保障數(shù)據(jù)傳輸安全性。表3 為HASH 算法對(duì)比結(jié)果，而MD5 算法與SHA1 算法各有優(yōu)缺，但MD5 算法的處理速度更佳，故在本次設(shè)計(jì)中，選擇MD5算法檢驗(yàn)醫(yī)療數(shù)據(jù)是否已被篡改。

表3 HASH 算法對(duì)比結(jié)果

對(duì)比項(xiàng)目 MD5 算法 SHA1 算法密鑰長度（相同加密強(qiáng)度） 128 160 CPU 占用情況 少 高內(nèi)存占用情況 少 高網(wǎng)絡(luò)消耗情況 低 高加密速度 快 慢破解難度 破解難度大一定難度抗攻擊性 強(qiáng) 較弱可擴(kuò)展性 高 低

2.3.3 實(shí)現(xiàn)路徑

哈希算法具有不可逆特征，而加密算法具有可逆性，本次基于區(qū)塊鏈技術(shù)所設(shè)計(jì)醫(yī)療數(shù)據(jù)共享安全平臺(tái)構(gòu)建了哈希算法、加密算法的共用邏輯，選用了“ECC+AES+MD5”算法組合，其中ECC 算法可加密小數(shù)據(jù)量，AES 算法可加密用戶信息等大數(shù)據(jù)量，而MD5 算法可用于加密小數(shù)據(jù)量，同時(shí)可檢驗(yàn)醫(yī)療數(shù)據(jù)是否存在被篡改現(xiàn)象，以此借助“ECC+AES+MD5”算法組合最大限度地提高醫(yī)療數(shù)據(jù)安全性。

3 醫(yī)療數(shù)據(jù)共享安全平臺(tái)綜合效益及界面應(yīng)用分析

3.1 效益分析

第一，經(jīng)濟(jì)效益。對(duì)于醫(yī)療機(jī)構(gòu)而言，基于區(qū)塊鏈技術(shù)的醫(yī)療數(shù)據(jù)共享安全平臺(tái)能夠全方位分析并監(jiān)測(cè)醫(yī)院質(zhì)量指標(biāo)，采用橫縱向比較的方式幫助醫(yī)療機(jī)構(gòu)人員提取高價(jià)值信息數(shù)據(jù)，且可進(jìn)一步展開指標(biāo)趨勢(shì)分析及室成本消耗變化趨勢(shì)分析，便于醫(yī)療機(jī)構(gòu)不斷優(yōu)化調(diào)整，以此降低醫(yī)療機(jī)構(gòu)運(yùn)營成本，提升醫(yī)療機(jī)構(gòu)經(jīng)濟(jì)效益。從臨床服務(wù)角度來看，依靠該醫(yī)療數(shù)據(jù)共享安全平臺(tái)可幫助醫(yī)療機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)智慧醫(yī)療建設(shè)目標(biāo)，并可在平臺(tái)幫助下降低信息傳輸成本，同時(shí)可提升醫(yī)療服務(wù)質(zhì)量，繼而促進(jìn)經(jīng)濟(jì)效益的增長。第二，社會(huì)效益。醫(yī)療數(shù)據(jù)共享安全平臺(tái)可追蹤研究不同傳染性疾病的發(fā)展情況，幫助醫(yī)療工作者作出精準(zhǔn)判斷，繼而更全面地預(yù)防疾病及用藥治療，以此大幅提升疾病治療效果，由此可見，該平臺(tái)具有顯著的社會(huì)效益，極具應(yīng)用價(jià)值。

3.2 系統(tǒng)界面

該醫(yī)療數(shù)據(jù)共享安全平臺(tái)在本次疫情管理期間大放異彩，基于系統(tǒng)數(shù)據(jù)共享安全管理功能，設(shè)置了疫情仿真模擬界面，在數(shù)據(jù)整理統(tǒng)籌分析的同時(shí)，起到一定模擬預(yù)測(cè)的效果。圖2 為醫(yī)療數(shù)據(jù)共享安全平臺(tái)疫情仿真模擬界面，相關(guān)數(shù)據(jù)可直觀性呈現(xiàn)，并可采用趨勢(shì)圖的方式展示疾病控制效果，圖3 為基本數(shù)據(jù)及舉措數(shù)據(jù)詳細(xì)界面。

圖2 為醫(yī)療數(shù)據(jù)共享安全平臺(tái)疫情仿真模擬界面

圖3 基本數(shù)據(jù)及舉措數(shù)據(jù)詳細(xì)界面

4 結(jié)論

綜上所述，區(qū)塊鏈在加密保護(hù)、共享共治方面具有較高優(yōu)勢(shì)，可將其應(yīng)用到醫(yī)療數(shù)據(jù)共享安全平臺(tái)的建設(shè)工作中，在整體結(jié)構(gòu)架設(shè)期間，應(yīng)注意突出區(qū)塊鏈技術(shù)優(yōu)勢(shì)，根據(jù)平臺(tái)架設(shè)區(qū)域確定平臺(tái)整體框架，在此基礎(chǔ)上，做好功能設(shè)計(jì)與安全設(shè)計(jì)，借助各種算法程序不斷完善醫(yī)療數(shù)據(jù)共享安全平臺(tái)，以此良好解決現(xiàn)階段大數(shù)據(jù)平臺(tái)所存在的缺陷。