基于區塊鏈技術學生健康檔案管理的革新與發展

陳漢聰 錢丹丹 顧釗瑜 蔡堯

摘要：大體量的學生健康檔案管理亟需先進的信息化管理方式和手段。區塊鏈技術去中心化、去信任化、數據透明、不可篡改的優勢，能有效實現解決健康檔案管理有史以來存在的諸多難題與隱患，規避了傳統的檔案管理方法中檔案漏發、錯發、醫療數據交換的安全認證、個人數據的隱私等問題。文章基于區塊鏈技術實現了在學生健康檔案管理中的應用價值以及安全問題跳躍，區塊鏈技術的應用一方面有利于醫療數據的開放，另一方面也能保護隱私以及有效降低健康大數據管理的成本。

關鍵詞：區塊鏈;學生健康;電子檔案管理

早在2009年，衛生部相繼發布了《健康檔案基本框架與數據標準（試行）》、《基于健康檔案的區域衛生信息化建設指南（試行）》、《電子病歷基于架構與數據標準（征求意見稿）健康檔案基本架構與數據標準（試行）》等文件;2013年國務院辦公廳發布關于《深化醫藥衛生體制改革2013年主要工作安排》的通知，提出研究建立全國統一的電子健康檔案、電子病歷、藥品器械、公共衛生、醫療服務、醫保等信息標準體系。因此，信息化的學生健康檔案管理早已刻不容緩，也更加符合我國衛生事業發展的趨勢。關于電子健康檔案的建設也早有許多學者發表了自己的意見和看法，如時峰，魏健，王超發表在《生物醫學工程學進展》的“電子健康檔案管理探討”、項瑩， 楊華， 譚建剛發表在《中國公共衛生管理》的“企業參與社區電子健康檔案管理模式研究 ”、吳思靜，郭清學者發表在《中國全科醫學》的“國內外電子健康檔案的應用現狀與發展困境 ”等，提出了一些經驗成果能服務我國的EHR快速發展，但是電子健康檔案的信息安全性問題在諸多文獻中被反復提及，難以得到妥善的解決。

而區塊鏈技術最重要的功能就是用加密和共識算法建立了信任機制，讓抵賴、篡改和欺詐行為的成本巨大，保證了數據的不可篡改和不可偽造，實現了數據的完整性、真實性和一致性。高校作為一個人口密度高的教育機構，信息化的學生健康檔案的建立對其有重大意義。學生健康檔案是反映學生健康狀況的真實記錄，其重要參考價值有利于國家及時發布推進學生甚至是國民健康管理的相關政策。區塊鏈技術有助于建立更加全面、安全、公正的學生健康檔案系統。本文根據區塊鏈技術的基本概念和技術特點，提出了學生健康檔案管理的探索性思路和建議。

一、區塊鏈技術

（一）區塊鏈的起源與發展

區塊鏈概念首次由Nakamoto在2008年發表的Bitcoin： A Peer-to-Peer Electronic Cash System一文中提出，區塊鏈技術被認為是構建比特幣數據結構與交易信息加密傳輸的基礎技術。區塊鏈技術憑借可共享、可編程、安全可信等特點，對金融交易以及其它社會服務產生巨大影響，已得到各國各行各業的高度關注。2016年，英國首席科學家發布的白皮書講到區塊鏈是從上到下萬業可用，包括醫療、民生、政務、人員等;2019年3月，美國衛生與公眾服務部持續探索區塊鏈技術，投資了價值700萬美元的“智能采購”人工智能和區塊鏈計劃;澳大利亞公布國家區塊鏈線路圖，擬增投資金促進區塊鏈產業發展。

而我國于2013年年底，人民銀行等五部委發布《關于防范比特幣風險的通知》，《通知》中明確了比特幣的性質，并不是真正意義的貨幣。比特幣不具有與貨幣等同的法律地位。但這并不意味著比特幣背后的區塊鏈技術也被我國禁止，相反區塊鏈技術在我國發展勢頭相當迅猛，根據工信部2018年3月發布的《中國區塊鏈技術和應用發展白皮書》，截至2018年3月底，我國以區塊鏈業務為主營業務的區塊鏈公司數量已經達到了456家，白皮書還首次提出了我國區塊鏈技術發展路線圖和標準化路線圖等相關建議。

（二）界定的概念與特征

目前對區塊鏈并沒有非常明確的定義，國內外學者對于區塊鏈的概念也有不同的解釋。美國學者Swan認為區塊鏈技術是一種公開透明的、去中心化的數據庫;Anthony Lewis認為區塊鏈是一種既可公用也可私有的分布式數據庫;國內學者駱慧勇認為區塊鏈技術是指不依賴第三方、通過自身分布式節點進行數據交互、驗證、存儲的一種技術方案;姚國章等認為區塊鏈是通過去中心化和去信任化的方式，由參與其中的成員共同維護一個特定數據庫的技術方案。綜上所述，筆者認為區塊鏈是通過密碼學、點對點網絡通信、共識算法、智能合約等多項技術有效組合，為數據存儲、流和處理構建的新型分布式計算體系架構。

根據2016年工業和信息部發布的白皮書，從狹義來講，區塊鏈是一種按照時間順序將數據區塊以順序相連的方式組合而成的一種鏈式數據結構，并以密碼學的方式保證的不可篡改和不可偽造的分布式賬本，能夠安全存儲簡單的、有先后關系的、能在系統內進行驗證的數據。從廣義來講，區塊鏈技術是利用塊鏈式數據結構來驗證與存儲數據、利用分布式節點公式算法來生成和更新數據、利用密碼學的方式保證數據傳輸和訪問的安全、利用由自動化腳本代碼組成的智能合約來編程和操作數據的一種全新的分布式架構與計算機范式。

區塊鏈技術有五個核心特征：去中心化、開放性、自治性、信息不可篡改、匿名性。換句話說，區塊鏈技術的開放性和去中心化等關鍵特征，能夠有打破信息不對稱、陌生人信任、交易成本高等難題。因此區塊鏈技術的被認為是繼大型機、個人電腦、互聯網、移動/社交網絡之后計算范式的第五次顛覆式創新。由于網絡中各節點的權限對等，系統中的數據塊由整個系統中具有維護功能的節點來共同維護，所有的交易記錄在全網公開透明，所有節點能夠在去信任的環境自由安全地交換數據，所以區塊鏈具有去中心化、開放性、自治性等核心特征;同樣，由于區塊鏈采用非對稱密碼學技術對交易數據進行加密，節點間的交換遵循固定的算法，其數據交換不需要信任，因此區塊鏈又具有信息不可篡改和匿名性的典型特征。

（三）區塊鏈的結構與分類

在區塊鏈結構中，一段時間內的信息（包括數據或代碼等）被打包成一個區塊，添加時間戳標記后與上一個區塊銜接在一起，從而形成新的區塊，首尾相連，最終形成了區塊鏈。

區塊鏈目前分為三類：公有鏈、聯盟鏈和私有鏈。公有鏈的各個節點可以自由加入和推出網絡，任何團體或個人都可以參與共識過程。公有鏈也是最早出現的區塊鏈，被認為是“完全去中心化”的。聯盟鏈是一種由預先選定節點決定共識過程的區塊鏈，只有經過授權后才能加入和退出網絡。聯盟鏈是一種半中心化的網絡，查看區塊鏈的權利可以是公共的或者僅限參與機構。當前公有鏈表現出的塊鏈過大、交易確認時間過長、擁塞等問題，使服務于專業化、行業化、領域化的聯盟鏈受到諸多機構和組織的特別關注。

私有鏈的塊鏈的寫入權限由中心化節點或一個組織所控制，而讀取權限則根據是公共的或受到不同程度的限制。私有鏈一般應用于開發測試環境或運營方的客戶既有較大數量的公眾用戶，需要借助區塊鏈的分布式運行特征來保證網絡服務的可靠性。但采用封閉的私有鏈來提供服務于傳統的中心化平臺提供服務，對用戶而言并無本質的不同，在實際的運營網絡中，私有鏈并沒有讓人看到特別的商業價值。

總體而言，聯盟鏈結合了公有鏈的完全開放和私有鏈的高度集中，提供了一種較為妥善折中的方式;而私有鏈由于完全限制的寫入權和高度受限的查詢權，保護個人隱私較為合適。

（四）相關應用

國外學者Swan探討了區塊鏈的發展藍圖，提出了區塊鏈1.0、區塊鏈2.0和區塊鏈3.0的概念。其中，區塊鏈1.0是指加密貨幣或與其相關的數字支付系統，區塊鏈2.0包括在鏈上實現的應用于金融、市場、財政等領域的智能合約。而區塊鏈3.0的概念則是區塊鏈在其他更為廣闊的領域中的應用，例如管理、醫療健康、基礎服務等。

國內各行各業的學者也發表了諸多區塊鏈應用文獻。例如，在金融領域，宮曉林等學者認為區塊鏈技術的出現為解決傳統金融模式信息不對稱問題提供了方案，未來可能給金融行業帶來很大的變化;在教育領域，余燕芳、葛正鵬探討了基于區塊鏈技術的學分銀行信息系統，認為區塊鏈技術在學習者的學習過程軌跡與學習成績數據分布式存儲、學位證書信息等方面存在巨大的潛力;再如前幾年十分火熱的共享經濟，于博認為區塊鏈技術解決了共享經濟中的信任問題，為共享經濟的應用提供了天然平臺和技術支撐。另外，還有學者研究了區塊鏈在政務、供應鏈和保險業等領域的應用前瞻。

可以說只要是有防篡改數據記錄、審計需求，業務上涉及交易、結算、清算、仲裁的行業，都是區塊鏈+的潛在應用對象。在健康領域，醫療機構的醫療資料處于相對保密狀態。如果個人需要從醫療機構獲取醫療數據，有一定的門檻和成本，而且醫療機構之間暫時也無法實現數據交換。其原因是醫療機構對自己的保護。更深一層的原因是目前無法保證數據交換的安全性。

若是在健康領域使用區塊鏈技術，可采用多電子簽名授權機制來管理權限。醫療數據生成的每個環節都會有相應的數據，建立多電子簽名授權機制的權限管理，可確保數據不被篡改，生成是可追蹤的。區塊鏈使用“工作負載證明”和“權利證明”或其他共識機制，再加上區塊鏈的加密技術，將不可信網絡變成可信網絡。所有參與者不需要信任單個節點，只需在某些方面達成一致即可。這就解決了醫療數據交換中的信任問題。

二、基于區塊鏈技術的學生健康檔案管理系統搭建依據

（一）區塊鏈技術下學生健康檔案管理方案設計思路

從技術角度來看，區塊鏈中的“時間戳”使每一個數據都有其原始的證明，可以對原始電子檔案進行追溯，記錄檔案生命過程中的所有變化，有效地解決了信息的可變性問題。學生健康檔案管理可采取私有鏈與公有鏈相結合的技術，其中私有鏈存儲電子健康檔案，公有鏈存儲私有鏈的哈希值，間接實現了公有鏈對電子健康檔案的保護，還兼具了公有鏈安全性高和私有鏈成本較低的優勢。

從管理的角度來看，區塊鏈技術的共識機制構建了網絡上的信任體系。區塊鏈中的每個節點由計算機和其他參與檔案管理數據存儲的終端組成。只有當信息被大多數節點信任時，才能記錄存檔。第三方不再需要在區塊鏈中參與信任共識，管理的時間成本從而大大節省，還顯著提高了檔案數據管理的效率。

從社會的角度來看，區塊鏈技術能樹立公眾對電子信息存儲和使用的信心，高校更有可能通過現有的權限來獲取學生信息。通過大規模的分析和定向選擇，可以更有效利用學生健康數據，及時采取有效行動，也有利于高校統一管理。它不僅使大學生更加了解自身健康，還讓高校對學生健康狀況有了更清晰的認識。

（二）區塊鏈技術下學生健康檔案管理系統整體架構

區塊鏈技術的應用不僅僅有利于高校檔案管理部門的檔案管理、領導層運用數據進行決策和提出方案，也可以被用來創建一個互通平臺。高校提供優質的內容服務，從而獲得學生的忠誠度，使高校學生成為區塊鏈上內容的提供者，不斷增強相互之間的聯系，改變高校學生對健康管理認識模糊的現狀，改善高校對學生健康檔案管理方式。

平臺的創建不僅僅要著眼于鏈的形成，更要關注時代社會的發展，適時地做出相關調整。平臺的“入口”可以遍布在PC端、移動端APP，或者是微信公眾號、微博官方號等諸多隱性登錄“渠道”，能夠為高校大學生創建多個跨平臺的捷徑，擁有沉浸式體驗的愉悅感。

基于區塊鏈的學生健康檔案管理系統將由學生健康檔案管理系統、區塊鏈安全子系統和系統監控平臺三部分組成。如圖4所示，每個模塊都有明確的分工。通過網絡調用進行數據交互，不僅可以提供檔案管理功能，還可以保證整個系統平臺的穩定性和檔案健康數據的真實性。

學生健康檔案管理系統是整個基于區塊鏈的檔案管理系統的入口。普通用戶僅僅只能通過該系統查詢、核實和借用檔案。而學生健康檔案管理員可以管理用戶和檔案。健康檔案的增加、更新、借用操作相關的信息，不僅存儲在本地數據庫中，而且可以通過接口調用同步到區塊鏈安全系統。檔案查詢操作可以直接查詢本地數據庫，還可以通過接口查詢區塊鏈安全系統中的檔案信息。健康檔案的驗證是通過接口將本地數據庫的文件信息發送到區塊鏈安全系統，憑此數據比較分析。

區塊鏈安全系統的數據存儲分為區塊鏈和數據庫兩部分。數據庫只保存檔案的最新數據，以及檔案的模糊查詢，而電子檔案的每個歷史版本的都存儲在區塊鏈中。區塊鏈安全系統通過接口接收和處理來自學生健康檔案管理系統的請求，區塊鏈上的學生健康檔案信息可以通過區塊鏈數據管理平臺以更直觀的方式來查看。用戶可以使用平臺進行模糊查詢，查看學生健康檔案的當前信息、歷史信息，修改和借用文件日志，查看學生健康檔案的數據統計，查看和重置接口的密鑰。

以上的設計能解決區塊鏈技術在數據存取上性能較低的問題，提供較為完善的檔案保護和身份驗證，防止了醫療數據的泄露，同時，也有利于醫學和檔案學的交流，促進兩行業共同發展。

當然設計上還有些許不足和瓶頸，后續還需研究基于智能合約實現學生健康檔案管理的身份認證以及檔案的自動消除和解密等操作。未來高校若能使用區塊鏈技術平臺來保存學生健康的檔案，如何構成聯盟區塊鏈，提高整個系統的去中心化程度，也需要深入研究探討。

三、區塊鏈技術在學生健康檔案管理中的推廣應用

在健康領域可使用電子病歷和個人健康檔案，其中電子病歷能夠在醫療機構之間實現共享的、數字化的患者醫療機記錄，個人健康檔案是患者能夠隨時閱讀或者提供給醫療機構的自己的醫療記錄，區塊鏈技術可以讓它們發揮更大的作用。因為區塊鏈既能夠讓患者信息在多數機構中實現簡單共享，也能夠用電子簽名保證信息的安全。具體而言，患者可以把自己的健康記錄密碼化并寫入區塊鏈，然后把這條附帶使用期限、次數限制等條件的標記交給醫療機構，這樣患者就能夠讓醫生看到他們指定的數據，也就是說，患者自己掌握了訪問控制的主動權。這就意味著我們的健康數據將交由我們自己來管理，我們將從被動管理變為主動管理。

作為學生，可以通過自己的唯一認證查詢自己的所有數據，以獲取所需的信息。任何健康數據的使用都需要經過數據產生者的書面授權同意，可以授權給醫療機構以開發更大的價值，但保證數據產生者的個體利益與隱私，是使用數據的前提。同時，高校可以有一定的權限獲取學生健康數據，對大學生進行數據整合和分析，預測可能發生的事件，及時應對各種現象，提前制定應急預案。

另外，隨著大數據技術在各領域的應用，學生產生的數據量將會呈現井噴式增長，導致區塊鏈中的區塊承載的數據信息越來越多，這對區塊鏈數據庫的存儲空間提出更高的要求。因此，可將區塊鏈技術與云存儲技術相結合，既可解決數據存儲空間問題，又能保證數據的不可篡改性。

四、結論與展望

到今天，人類文明的發展到達了一個前所未有的新階段。數據量正以指數型增長速度膨脹，現有的以馮·諾依曼架構體系為基礎的IT架構似乎已經接近其能力的極限。長遠地說，地球上數據的存儲介質也存在極限。區塊鏈技術作為最新興的互聯網技術之一，它最終將會構建出多態化生態的價值互聯網，從而顛覆和重塑許多行業。而區塊鏈技術在健康領域里面的嘗試應用，解決了全生命周期管理、真實完整性、各個醫療機構之間存在訪問壁壘、信息不流通等突出問題，然而還存在將圖像類型的數據用于建模和機器學習、醫藥溯源數據交易市場構建大數據交易平臺等可研性。

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*基金項目：本文系江蘇大學2018年度大學生實踐創新訓練項目，項目編號：201810299133X。

（作者單位：江蘇大學）