区块链技术在医疗信息管理系统中的应用

摘要：医疗数据共享及其防泄露与防篡改一直是医疗行业面临的最大挑战。而区块链可以通过永不删除、不能更改的方式保存数据，使其技术特性与医疗数据存储共享要求存在一定的契合度。本文探讨了Medical Chain项目的技术要素及系统构建，并在此基础上，分析区块链技术在医疗信息系统中的会发生的问题，以推动医疗数据应用的标准化、生态化建设。

1研究背景

2014年来，大数据连续6次被写入国家政府工作报告。其中，2016年，国务院办公厅发布《关于促进和规范健康医疗大数据应用发展的指导意见》，首次将生物学资源和医疗大数据作为国家基础战略资源。同年8月提出了要完善人口健康信息服务体系建设来进一步推动健康医疗大数据应用。接着“健康中国2030规划”将医疗数据应用创新与发展列为国家重要任务。而2021年国务院发布的《国务院关于印发促进大数据发展行动纲要的通知》则将医疗数据定为国家大数据重要战略布局。

区块链技术（Blockchain）自出现以来，国外以医疗数据安全存储与共享利用的研究开展得如火如荼。例如，Azaria等提出了利用区块链的技术加POS共识机制进行权限管理来实现MedRec方案的安全医疗数据共享[1];Shrier等创建了OPAL/Enigma加密平台和区块链技术下、用于保存分析医疗数据的安全环境[2];而Esposito等则提出了基于云存储的数据安全医疗区块链系统[3]。

2医疗系统的困境和解决方案

医疗机构一直是“信息孤岛”。虽然它本身拥有海量数据，但却无法建立可靠有效的共享机制。事实上医疗数据大多不具备时间及内容层次的连续性，且叠加公立医疗机构仅拥有医疗数据的使用权等，从而导致了医疗数据无法共享利用的困境。

此外，电子医疗数据的存储、可追溯性等难题亟待解决。一是，医疗机构采用不同的存储体系加重了他们共享利用医疗数据的难度;其次，用户访问会受到严格限制，进而耗费大量精力在权限获取上[4]，延误患者治疗;此外，医疗数据由于其特殊性使得医疗工作者和患者之间进行信息交流时，必须建立可靠的数据安全保障体系;最后，医疗数据通常存储于医疗机构的数据库中，信息密度及内容价值较大，易受外界攻击。一旦被恶意入侵，它的真实性、可追溯性、完整性将受质疑，继而损害患者利益。比如，仅2015年，美国受到黑客入侵的医疗记录高达1.12亿条。而2017年臭名昭著的WannaCry攻击则摧毁了英国国家医疗服务体系，使该机构丢失超过50万份的重要医疗数据信息。北京协和医学院远校长曹雪涛曾在采访中表示，“医疗大数据的共享是基础，规范发展是关键，安全是核心，如何在数据共享过程中保障个人隐私是需要着重去考虑的重要方面[5]”。而利用区块链技术则可在共享医疗数据时很好保障个人隐私安全。

3 Medical Chain在区块链技术上的探索

3.1区块链技术

区块链方案提出于2008年，是一种去中心化的数据库底层技术。它将数据区块以时间顺序相连组合而成的一种链式数据结构，并采用密码学技术設计以保证不可篡改的分布式账本[6]。

区块链的核心技术包括：1、分布式账本技术。相比传统方案，其最大的特点是去中心化，即网络中每个节点都能独立进行交易记账，并同步记录完整的交易数据来实现互相证明，从而确保数据的真实性和完整性。2、非对称加密及授权技术。区块链上存储的交易信息是公开的，但其交易账户的身份信息是非公开的——只有在数据所有者授予权限时才能够获取。3、共识机制。区块链工作量主导机制要求只有获得网络中51%及以上的记账节点共识，才可以修改一条数据。换句话说，当记账节点足够多，数据造假的可能性几乎不存在。4、智能合约。基于区块链的交易数据，预先制定规则条款。一旦触发特定条件，系统将自动执行相关智能合约。区块链技术所具备的去中心化、数据防篡改等特性，从理论上可解决医疗机构的数据信任危机。

3.2 Medical Chain项目实现

3.2.1技术逻辑

Medical Chain成立于2016年，前身是一家为医疗机构提供软件解决方案的公司。通过准确地分析患者情况，它能提供精准治疗方案评估。

Medical Chain是运用区块链技术建立的以用户为中心的极高保密性的医疗数据系统，是全球领先的跨数据平台医疗大数据服务体系。该系统不但实现医疗数据的透明共享，同时还确保其真实与完整，从而保证Medical Chain能与多方相关的医疗机构实现数据无缝接洽。由于所有数据互动都将会被记载在Medical Chain的分布式账本上，所以其可审查和透明安全性好，从而保护用户隐私而不泄露。其次，Medical Chain的Hyperledger Fabric结构[7]可提供多种分级权限，使得数据所有者可设置访问者权限，增加安全性。

Medical Chain提供各类API和SDK服务以方便系统的医疗数据访问[8]。MEDC将发行MED-Coin，希望借助加密货币的流通来提高各方参与度，进而完善医疗数据生态链。用户可通过上传并开放共享医疗数据来获得奖励。由于整个流程都建立在安全透明的基础上，避免了个人隐私数据泄露;为进一步确保个人医疗数据准确、真实且不可篡改，医疗信息将被公开透明的储存在区块链的双重结构上，无需第三方机构介入;另外，统一的体系标准可实现医疗数据快速且准确地共享，例如当患者急需手术时，主治医师可根据系统提供的患者最新检查报告，给出快速高效的就诊方案。

3.2.2系统构建

Medical Chain中的区块链系统主要包括存储管理、节点管理和用户管理三个部分。存储管理指的是将医疗数据存储到区块链上，以及实现区块链与各存储设备的有效联系，一般由医院信息系统，临床管理信息系统，医学影像归档和通信系统，实验室检验信息系统和电子病历等几部分组成。节点管理指的是对使用区块链系统的所有节点的管理。现有的一类节点管理系统实现方案是由客户端、验证器和打包器三个部件构成[9]。用户管理指的是对Medical Chain中的所有参与者的权限管理，以实现身份认证与访问控制，具体包括管理参与到Medical chain中用户的账号、密钥和权限等。

4区块链技术在医疗信息系统的应用中存在的问题

4.1不能确保发展落地长期性

区块链技术正处于不断的发展中。当加密算法、系统环境、底层逻辑框架等要素发生改变时，很可能会影响存储在区块链上医疗数据的共享利用。其次，区块链技术作为新兴技术，它的稳定期限还没得到实践维度以及时间维度上的充分检验。所以，区块链技术发展中的不确定性也会带来一定的风险。一旦发生，将会造成医疗数据无法挽回的损失甚至是新一轮更严重的信任危机。

4.2存在自身逻辑系统风险

从理论逻辑的角度上看，黑客如果掌握了全网51%以上的算力，就可篡改区块链上的医疗数据。这种担忧已成为事实。2018年来，比特币分叉币等虚拟货币例如比特币黄金曾多次遭到黑客“51%攻击”，损失价值超过1800万美元。而以太坊、UBTC等项目正在逐步推进POW+POS混合共识机制[10]来从源头上预防“51%攻击”，但这些探索只处于初始阶段。

4.3不能独立解决数据可用性问题

社会的高速发展使得区块节点的相对稳定性不容易保持，致使医疗数据生命周期普遍较短。其次，区块链上存储的医疗数据发生一点细小的变化都会相应的引起哈希值变化，导致无法校验医疗数据，从而无法真正获得原始文件。所以，只有推动医疗数据保存区块链技术的标准化，遵循区块链技术的相关特性标准，才能够最大保证医疗数据长期有效。

4.4因多节点存储、共享等需要耗费IT资源

区块链上的一个参与节点都必须下载存储医疗数据并实时扩充更新。尽管有学者提出如只存储文件哈希值的简化方案，但医疗数据呈指数式增长的不争事实使得其所需的处理空间和算力不断增加。同时医疗数据包括结构和非结构化数据，并且患者数量极其庞大，因而其存储空间需求会更大。阿里的研究表明，联盟链项目超级账本架构下每一个区块链应用的上链数据存储的容量上限是61TB[11]，这将在一定程度上限制其可扩展性。

5结论与展望

作为目前最有前途的技术之一，区块链方案以不可删除、不可更改的数据存储方式广受关注。这使得它在实现医疗数据的安全共享与存储方面有着天然的优势，是医疗数据存储共享利用的一个重要的发展方向。本文在分析Medical Chain项目的基础上，简要分析了区块链技术的特点以及它可解决医疗数据共享存在的难题。总之，区块链技术作为一种新兴技术，在我国医疗行业中的应用还处于初步研究探索阶段，所以本文的研究仍存有不足，有待进一步完善和发展。

参考文献：

[1]AZARIA  A， EKBLAW A， VIEIRA T， et al. MedRec： Using Blockchain for Medical Data Access and Permission Management [C]//20162nd International Conference on Open and Big Data （OBD）， August 22-24，2016. Vienna， Austria. IEEE，2016：25-30.

[2]Kuo T， Ohno-machado L. ModelChain： Decentralized Privacy-Preserving Healthcare Predictive Modeling Framework on Private Blockchain Networks [J]. arXiv：1802.01746，2018.

[3]Esposito C，Santis A， Tortora G， et al. Blockchain：A Panacea for Healthcare Cloud-Based Data Security and Privacy？[J]. IEEE Cloud Computing，2018，5（1）：31-37.

[4]Kai F，Shangyang W，Yanhui R， et al. MedBlock： Efficient and Secure Medical Data Sharing Via Blockchain [J]. Journal of Medical Systems，2018，42（8）：136.

[5]醫疗大数据爆发点临近，个人隐私如何保护？[EB/OL].（2017-01-06）. http：//app.myzaker.com/news/article.php？pk=58702dd01bc8e0a445000000

[6]Li X， Tao B， Dai H， et al. Is Blockchain for Internet of Medical Things a Panacea for COVID-19 Pandemic？[J]. Pervasive and Mobile Computing，2021：101434.

[7]王辉，刘玉祥，曹顺湘等.融入区块链技术的医疗数据存储机制研究[J/OL].计算机科学：1-9[2020-03-29]. http：//kns.cnki.net/kcms/detail/50.1075.TP.20200225.1400.006.html.

[8]刘越男.区块链技术在文件档案管理中的应用初探[J].浙江档案，2018（5）：7-11.

[9]张超，李强，陈子豪等. Medical Chain：联盟式医疗区块链系统[J].自动化学报，2019，045（008）：1495-1510.

[10]韩璇，刘亚敏.区块链技术中的共识机制研究[J].信息网络安全，2017（9）：147-152.

[11]余珊.浅谈区块链技术与阿里云的探索实践[EB/OL].（2018-07-25）[2020-03-20]. http：//www.sohu.com/a/243161624_355140.

作者简介：鲁雯倩，上海大学硕士研究生，研究方向为区块链技术。