基于区块链的电子病历存证系统的设计与实现(2019年深度好文)

基于区块链的电子病历存证系统的

设计与实现

（2019年深度好文）

传统的医疗软件系统大都使用中心化的存储方式存储病历数据，系统将电子病历数据存储到数据库当中，这种中心化的存储方式存在病历数据易泄露和信息共享难的缺点。本文研究的基于区块链技术的电子病历存证系统，是一种防止用户数据泄露、篡改和实现数据共享的一种数据安全解决方案。本系统将传统的电子病历数据拆分成患者个人信息数据和单条的病例数据，使用传统数据库和区块链技术相结合的方式存储数据，将单条病例数据存储在传统数据库中，而将患者个人信息数据和病例在数据库中的索引数据存储在区块链网络中。系统通过对不同所有权的数据分离存储的方式，解决信息所有权错位和数据安全共享等难题。

1.1研究背景

社会文明飞速发展的同时，计算机技术也在快速的发展。随着大数据时代到来，数据两个字已经融入到当今社会的各个领域之中，成为了各行各业的重点生产要素。人们不断增强对大数据的应用，数据共享和保护个人隐私逐渐引起的人们的重视。如今，随着数据价值的提升，很多人从中发现了商机，各个互联网行业巨头甚至是各国政府都开始将大力发展大数据提升至战略高度。可见，数据正在成为一种堪比石油与黄金的战略资源。

近些年，人们在对大数据的应用研究过程中产生了很多数据泄露和数据共享的难题。由于计算机网络之间相互连接，网络数据遍布世界各地，在利益的驱使之下，数据隐私泄露的问题愈发严重，各国网络数据泄露的事件频频发生。数据安全问题对当今社会的政治、经济、文化的影响日益加剧，严重的甚至能威胁到公民的生命财产安全。同时，随着我国互联网+医疗的快速发展，国内许多医院都可以通过手机app、网站以及第三方医疗机构的服务平台等形式提供网上挂号、预约、缴费、查询等服务，这种服务简化了用户的看病流程，加快了医生的问诊效率。但是，大部分的问诊软件都是通过第三方公司开发维护的，软件的质量伴随着开发者水平的高低而变得良莠不齐，大多数系统都存在系统漏洞。有的网络设备的敏感端口和服务直接允许在公网上公开访问，这样就降低了黑客入侵以及越权访问的技术门槛，使数据访问权限非法获得的难度变得更低，黑客可以通过技术手段窃取数据库数据并买卖医疗敏感数据从而牟取暴利。据了解，医疗敏感数据的成交价格比信用卡数据的成交价格高十倍以上。

比特币底层的技术被人们称为区块链技术，近年来区块链技术逐渐兴起并且和各个领域的融合已经形成一种全新的分布式基础架构

和计算范式。其本身并不是一门新的技术发明，而是将原本已有的技术工具进行整合，生成了一个集成性的、系统性的、安全可靠的存储方案。如今区块链技术的兴起为数据的安全问题提供了新的解决方案，区块链的区块存储方式有分布式去中心化的特点，区块数据完全公开存储，依靠密码学技术保证数据安全不被窃取。每个区块链网络

中的节点通过共识算法达成一致，每个存储节点存储相同的账本信息，数据被篡改操作几乎不可能发生。而且区块链网络的节点可以随着意愿增加，区块链中的数据也可以随时共享，解决了医疗数据的共享难题。因此本文将区块链技术和传统的数据库存储方式相结合的基于区块链的电子病历存证系统应运而生了。

1.2研究意义

电子病历系统也叫计算机化的病案系统，简称EMR系统，它使用计算机存储病人的医疗数据。医院研发使用电子病历的初衷是为了记录病人疾病的治疗过程，更好的观察病人病情的发展，通过对病例综合分析给出更精准的治疗方案。但是电子病历记录着病人的个人敏感信息，这使得病历具有很高的商业价值，不法商家可以利用病人病历所记录的健康信息精准的向患者推送商品，这种行为对患者造成了很大的困扰。由于计算机之间网络相互连接，连接到因特网的计算机之间理论上都可以完成数据传输操作，许多不法分子为了谋取利益利用黑客技术攻击电子病历系统，企图通过非法手段窃取患者病历数据，这使得患者数据存在泄漏的风险。同时，在发生医疗事故后，由于患者病历数据存储在数据库中，数据库管理员可以根据持有的访问权限对数据进行更改，销毁医疗证据。

电子病历档案权利归属问题是区块链技术问世之前的一大难题。通常情况下患者将自己的医疗信息看作个人隐私信息，没有与他人共享的需求，但是在就诊的时候用户可以选择性的让医生查看自己病历信息，也就是说患者对病历信息拥有完整的支配权限。同时医生对于

自己开出的疾病治疗方案也拥有查看和分享的权利，享有完整的数据支配权。本文所述的系统为了防止患者个人医疗信息泄露和合理划分数据的归属权，将患者病历中的个人信息提取出来单独加密存储，电子病历中只留下由单独病例的索引和加密后的用户个人信息，然后根据索引在数据库中查找相应的病例数据，并将数据组合形成完整的电子病历。利用区块链公开加密不可篡改的特点，将电子病历存储在区块链网络上，然后由患者保管的密钥数据和个人密码解密进行查看更改。这样，就能保证实现患者数据安全存储的同时让患者和医生分别获得不同数据的控制权利。

1.3研究现状

在云计算、大数据和区块链技术的风口上，数据的安全存储和隐私保护问题已经成为了限制计算机发展的瓶颈。云计算的高速发展为海量的数据存储提供了完美的解决方案，虽然云存储能够降低数据存储的费用，为企业和用户提供高质量的数据存储服务。但是云存储服务只是将数据存储的地点由本地换到了云端的服务器，其存储方式和存储结构并没有发生实质的改变，中心化的存储方式还是使数据的所有权在系统管理方而不是用户手中，云服务的提供商或者系统使用方可以轻易地获取云服务器中存储的用户隐私数据，结合现有的数据分析手段，通过对用户个人隐私的侵犯来牟取暴利。

最近几年，人们从比特币多年以来的在无监管情况下的稳定运行中发现了底层的区块链技术所蕴含的巨大商业价值。区块链技术因此被迅速开发推广，各行各业对区块链技术的研究投入了很多的精力和

财力，希望通过区块链技术来引起当前领域的巨大变革。区块链也逐渐从之前的理论研究变成与实际的产业相互结合应用，在实践过程中不断促进产业的创新和技术的快速发展。

1.3.1国外研究现状

通过对国外的文献的梳理，使用关键词Electronic Medical Record、Blockchain以及Protect Personal Data进行相关的检索，发现近几年关于此类的研究论文呈快速递增趋势。区块链是一个去中心化的分布式账本，能够在保证数据安全的情况下完成数据的安全存储。因此，区块链的各种应用开始了井喷式的增长，应用范围涉及到物联网、财产鉴定、数字货币、教育教学等各个行业。国外的区块链相较于国内起步较早，研究发展该技术的科研人员也相对较多。

在区块链的应用方面，国外的公司发展比较迅速。Gen Health公司的Gem Health Network是一个专门为医疗方面的市场设计的架构，其中用到的区块链框架是基于Vitalik Buterin开发的以太坊平台，该架构通过使用智能合约的手段，实现网络数据的统一自动化管理。Gem Health公司在其建立的多机构共享网络中，各个医疗机构组成的成员和合作的机构都能够实时的共享相对敏感的信息，包括医疗相关的数据和证明。

在手机等移动设备方面，Zyskind等人提出一种通过基于第三方手机客户端的隐私保护措施，系统包括手机使用者、服务器提供者和区块链维护者三种身份，数据从用户的手机产生然后利用区块链进行加密存储；AKinyele等人通过在移动设备上对数字信息进行处理，

从而实现私密数字信息的保护。该系统提供了细粒度的加密算法，能够保护记录中的单个的项目，使每个加密的项目都可以拥有独立的访问策略和共享方案。

在医疗领域，美国学者Kevin Peterson等人利用区块链技术来实现医疗信息共享，提出了一种新颖的共识机制，该机制利用语义的准确性作为证明来进行挖矿，并产生区块；美国麻省理工媒体实验室的Ekblaw等研究人员，通过使用以太坊作为平台，编写智能合约实现了一种分布式的信息管理系统“MedRec”，系统通过身份认证、加密、共享以及数据的分布式存储，实现了敏感医疗信息的信息安全。同时提出一种概念证明机制，来保障系统的正常运行和维护；加州大学圣迭戈分校的研究人员提出基于区块链的去中心医疗信息隐私保护框

架“ModelChain”，该框架在私有链的环境下对数据进行人工智能分析，可以在不明文显示病人的医疗信息的情况下，设计信息证明算法来决定处理顺序，通过结合人工智能相关技术为保护病人敏感数据提供了良好的解决方案。

虽然区块链在某些方面有很多优势，但是现存的比特币、以太坊等区块链在实际运行中还是暴露了很多的不足之处。Aste T等认为，区块链系统存在耗能大、业务处理缓慢、管理上难以统一等缺点，这些缺点成为了区块链系统在实际生产中向前发展的阻碍。Fairley P 也发表了同样的观点，标识工作量证明机制巨大的耗电量会阻碍区块链的持续发展，他表示如果区块链技术发展成为社会的主流技术，庞大的存储空间和耗电量是非常难以解决的问题。

1.3.2国内研究现状

最近几年中，区块链在国内的发展速度很快，在中国知网上根据“区块链”关键字进行了相关文献的检索和整理，搜索的结果如表

1-1所示。

从上面表格中明显可以看出，自从2008年比特币的概念被提出以来，一直到2015年，区块链在国内基本没有引起人们的关注，相关领域的研究文献只发表了五篇。一直到2016年开始，在国外的影响下，国内开始意识到区块链所携带的巨大经济利益和发展空间，其安全存储、不可篡改等特性可以广泛的应用在各种领域之中，从2016年到2019年之间每一年的文献数量都以一倍以上的幅度增长，各种区块链与实际应用相结合的观点层出不穷。

2016年，国务院下发了关于大数据在医疗健康领域的应用发展的指导意见，意见指出要关注公民的个人隐私，在公民没有许可的情况，任何组织和个人不能将公民的健康记录公开或者非法泄露。同时，为了促进医疗卫生的发展和改善民生和经济的发展，要实现健康医疗信息的数据共享和价值挖掘。

2017年，电子科技大学的夏琦等人提出了MeDShare方案，该方案使用区块链实现了医疗数据共享，完成了对医疗数据的验证、审

计以及信息共享的控制。方案中还引入了智能合约来追踪数据信息，实现数据可追溯功能，如果有违规交易，智能合约可以通过自动撤销非法用户的访问权限的方式提高系统的安全性。

2018年，董黛莹、汪学明提出让医院联盟服务群中的节点在网络上注册公钥，然后将公钥加入到每一笔交易数据的头部，客户端使用web3提供的API接口与Geth节点进行交互，并通过用户的密码对用户的私钥进行一次加密，从而保证患者可以通过身份证件查询病例；西安电子科技大学的任延辉提出一种基于区块链的医疗信息隐私保护与共享方案。该方案在保证档案数据密态存储的基础上，使用户能够实现对每条记录细粒度的访问控制，并验证了方案的可行性以及性能开销。

1.4研究内容

针对现阶段存在的问题，首先简单介绍电子病历系统的安全现状，说明其中存在的隐私数据的安全与共享问题对社会的所带来的影响。然后结合研究背景和国内外研究现状，从整体上介绍关于电子病历系统的隐私保护和数据共享方案。

基于区块链的电子病历系统，大部分都是将所有的病例信息全部存储在区块链上，例如Dubovitskaya A等人基于区块链可追溯的有点提出的一种数据可追溯的区块链电子医疗数据系统和Ahram T提出的基于区块链的健康应用Healthchain，以及国内哈尔滨工程大学张圣垚设计的基于区块链的电子病历系统。以上系统的设计和实现都在医疗数据上面使用了区块链的优点，但是由于区块链的数据存储是以