基于區(qū)塊鏈技術(shù)的電子醫(yī)療數(shù)據(jù)共享研究綜述

邱碩，丁潤(rùn)宇，柳亞男，閻浩，張正

摘要：電子醫(yī)療記錄（EMR）是當(dāng)前提高醫(yī)療服務(wù)質(zhì)量和降低醫(yī)療成本的關(guān)鍵。數(shù)據(jù)量的快速增長(zhǎng)使得云計(jì)算存儲(chǔ)服務(wù)被廣泛應(yīng)用。但這種集中化外包存儲(chǔ)使得數(shù)據(jù)不再被數(shù)據(jù)所有者直接管理，增大了數(shù)據(jù)泄露與被篡改等風(fēng)險(xiǎn)。區(qū)塊鏈的去中心化、可溯源、隱私保護(hù)等特性為解決上述問(wèn)題提供了可能。該文總結(jié)了現(xiàn)有的基于區(qū)塊鏈技術(shù)的電子醫(yī)療數(shù)據(jù)共享方案和模型，并對(duì)其進(jìn)行分類(lèi)評(píng)述。最后，闡述了區(qū)塊鏈技術(shù)在電子醫(yī)療應(yīng)用中所面臨的挑戰(zhàn)和未來(lái)展望。

關(guān)鍵詞：電子醫(yī)療記錄;區(qū)塊鏈;數(shù)據(jù)共享;隱私保護(hù)

中圖分類(lèi)號(hào)：TP311? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2021）34-0007-03

1 引言

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展，電子醫(yī)療病歷（Electronic Medical Record， EMR）通過(guò)將患者信息電子化，已經(jīng)成為現(xiàn)代醫(yī)療服務(wù)不可或缺的工具。電子醫(yī)療是指將現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息技術(shù)融合，以實(shí)現(xiàn)整個(gè)醫(yī)療過(guò)程的數(shù)字化的一種方式[1-3]，它是改善醫(yī)療服務(wù)質(zhì)量、加速生物醫(yī)學(xué)發(fā)現(xiàn)和降低醫(yī)療成本的關(guān)鍵方法[4]。

EMR提供的多種規(guī)范化的模板及輔助工具，可以將醫(yī)生從繁瑣重復(fù)的病歷書(shū)寫(xiě)工作中解脫出來(lái)，使他們集中精力關(guān)注對(duì)患者的診療[5]。EMR中長(zhǎng)期保存著患者健康管理過(guò)程產(chǎn)生的所有信息，除了包括如姓名、電話(huà)、住址、聯(lián)系方式等，還包括如病史記錄、檢查結(jié)果、健康診斷記錄等等[6-7]。EMR中大多數(shù)都屬于不希望被外人所知的敏感信息，一旦這些信息被泄露，可能使病人遭受社會(huì)負(fù)面評(píng)價(jià)、歧視侮辱等不良影響。更值得注意的是，世界衛(wèi)生組織已將個(gè)人電子醫(yī)療記錄信息定義為資產(chǎn)，進(jìn)而強(qiáng)調(diào)了EMR中數(shù)據(jù)的重要價(jià)值[8]。

區(qū)塊鏈技術(shù)的去中心化、防篡改、可追溯、隱私保護(hù)的分散管理特性，為解決電子病歷中數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和共享的安全性問(wèn)題提供了解決路徑[9]，它的去中心化存儲(chǔ)不僅解決了上述云端數(shù)據(jù)風(fēng)險(xiǎn)的問(wèn)題，也促進(jìn)了EMR數(shù)據(jù)之間的安全共享，大大提高數(shù)據(jù)的使用價(jià)值。同時(shí)，由于EMR數(shù)據(jù)本身的敏感性，如何在保障數(shù)據(jù)高效共享的前提下實(shí)現(xiàn)敏感信息的隱私保護(hù)，也是當(dāng)下國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)課題。

本文首先介紹了區(qū)塊鏈技術(shù)相關(guān)的基礎(chǔ)知識(shí)，針對(duì)基于區(qū)塊鏈技術(shù)的醫(yī)療數(shù)據(jù)共享模型進(jìn)行了簡(jiǎn)要介紹。根據(jù)現(xiàn)有工作文獻(xiàn)，從數(shù)據(jù)隱私保護(hù)與安全共享層面進(jìn)行了總結(jié)分析，最后對(duì)未來(lái)所面臨的挑戰(zhàn)與研究方向進(jìn)行了展望。

2 相關(guān)知識(shí)

2.1區(qū)塊鏈

區(qū)塊鏈作為一種分布式架構(gòu)，獨(dú)有的公開(kāi)驗(yàn)證、不可篡改等特點(diǎn)在電子醫(yī)療數(shù)據(jù)共享等醫(yī)療健康領(lǐng)域中的應(yīng)用取得了重要進(jìn)展。區(qū)塊鏈的去中心化與不可篡改等特性，使得它可以在不依賴(lài)于第三方可信機(jī)構(gòu)的條件下建立對(duì)等實(shí)體之間的信任傳遞，不僅可以提高交易效率還可以大大降低交易成本。區(qū)塊鏈技術(shù)的去中心化、不可篡改和不可偽造等特點(diǎn)，不僅實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)共享安全的同時(shí)也解決了數(shù)據(jù)溯源的問(wèn)題。

2.2共識(shí)算法

共識(shí)算法可以被定義為一個(gè)通過(guò)區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)達(dá)成共識(shí)的機(jī)制。區(qū)塊鏈作為一個(gè)分布式系統(tǒng)，并不依賴(lài)于一個(gè)中央機(jī)構(gòu)，而是由分布式節(jié)點(diǎn)全票通過(guò)來(lái)實(shí)現(xiàn)交易。由于網(wǎng)絡(luò)延遲等各種原因?qū)е赂鞴?jié)點(diǎn)處理先后順序有一定的差別。區(qū)塊鏈的共識(shí)算法就發(fā)揮了重要作用，它保證了協(xié)議規(guī)則的正常執(zhí)行。目前，常用的共識(shí)機(jī)制主要有Pow工作量證明機(jī)制、Pos權(quán)益證明機(jī)制、DPos股份授權(quán)證明機(jī)制、PBFT實(shí)用拜占庭容錯(cuò)機(jī)制等。

2.3智能合約

智能合約指的是一種數(shù)字化的特殊約束協(xié)議，主要是為區(qū)塊鏈交易過(guò)程中提供約束、驗(yàn)證信息等作用。在無(wú)第三方的條件下，通過(guò)智能合約可以實(shí)現(xiàn)交易過(guò)程中的可追溯、不可逆轉(zhuǎn)以及安全的交易，是區(qū)塊鏈去中心化的主要原因。智能合約中包含了區(qū)塊鏈上交易的所有信息，一般只有滿(mǎn)足對(duì)應(yīng)要求的節(jié)點(diǎn)才能夠執(zhí)行交易操作。智能合約交易效率高、不可逆轉(zhuǎn)以及安全交易等特性，使其被廣泛應(yīng)用于數(shù)字化領(lǐng)域中，如比特幣、以太坊等。

3 基于區(qū)塊鏈技術(shù)的醫(yī)療數(shù)據(jù)共享模型與方案

3.1 EMR共享系統(tǒng)模型

如圖1所示，EMR數(shù)據(jù)共享系統(tǒng)模型主要由數(shù)據(jù)所有者、數(shù)據(jù)請(qǐng)求者、醫(yī)療機(jī)構(gòu)、數(shù)據(jù)中心以及聯(lián)盟鏈五個(gè)實(shí)體組成：（1）數(shù)據(jù)所有者：醫(yī)療數(shù)據(jù)的產(chǎn)生者即患者;（2）數(shù)據(jù)請(qǐng)求者：醫(yī)療數(shù)據(jù)的使用者即數(shù)據(jù)用戶(hù);（3）醫(yī)療機(jī)構(gòu)：醫(yī)療數(shù)據(jù)的創(chuàng)建者與保管者;（4）數(shù)據(jù)中心;（5）聯(lián)盟鏈：聯(lián)盟鏈節(jié)點(diǎn)由各醫(yī)療機(jī)構(gòu)、保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)、醫(yī)療研發(fā)機(jī)構(gòu)等部分組成，鏈上用來(lái)存儲(chǔ)醫(yī)療元數(shù)據(jù)，以此防止數(shù)據(jù)被泄露和篡改。

EMR數(shù)據(jù)共享系統(tǒng)模型主要流程如下：患者到醫(yī)院就診并將個(gè)人信息發(fā)送給醫(yī)療機(jī)構(gòu)，醫(yī)療機(jī)構(gòu)對(duì)數(shù)據(jù)記錄進(jìn)行加密傳送到云存儲(chǔ)中心，同時(shí)將醫(yī)療元數(shù)據(jù)上傳至聯(lián)盟鏈，其中醫(yī)療元數(shù)據(jù)中包含一些摘要信息。當(dāng)需要共享醫(yī)療數(shù)據(jù)時(shí)，數(shù)據(jù)用戶(hù)向聯(lián)盟鏈發(fā)送數(shù)據(jù)請(qǐng)求，聯(lián)盟鏈根據(jù)患者提供的訪問(wèn)控制權(quán)限進(jìn)行響應(yīng)，并向被授權(quán)的請(qǐng)求做出響應(yīng)，將相應(yīng)元數(shù)據(jù)發(fā)送給用戶(hù)。最后，數(shù)據(jù)用戶(hù)根據(jù)元數(shù)據(jù)從數(shù)據(jù)中心下載加密數(shù)據(jù)。

3.2 EMR數(shù)據(jù)共享方案總結(jié)

目前已有大量的工作是基于區(qū)塊鏈技術(shù)實(shí)現(xiàn)的EMR數(shù)據(jù)共享，本文主要從隱私保護(hù)以及功能性進(jìn)行了總結(jié)分析。

（1）隱私保護(hù)

Dong等人[11]提出了一種由一條主鏈、多條從鏈構(gòu)成的多鏈區(qū)塊鏈模型，解決了傳統(tǒng)醫(yī)療數(shù)據(jù)采用中心化儲(chǔ)存方式時(shí)存在數(shù)據(jù)泄露和被篡改的問(wèn)題，該模型在保護(hù)患者敏感醫(yī)療數(shù)據(jù)的同時(shí)顯著降低了計(jì)算量。Wu等人[12]通過(guò)對(duì)患者電子醫(yī)療數(shù)據(jù)中的敏感信息進(jìn)行數(shù)據(jù)脫敏，再對(duì)其進(jìn)行加密，然后將其存儲(chǔ)到區(qū)塊鏈以及外包存儲(chǔ)系統(tǒng)中以保證敏感數(shù)據(jù)的隱私性。Zhang等人[13]提出醫(yī)療數(shù)據(jù)鏈，主要通過(guò)拜占庭容錯(cuò)算法來(lái)防止醫(yī)療數(shù)據(jù)被篡改。He等人[14]提出了一個(gè)基于私有鏈和聯(lián)盟鏈的醫(yī)療數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方案，將EMR數(shù)據(jù)安全地儲(chǔ)存在私有鏈中，而將關(guān)鍵詞索引保存在聯(lián)盟鏈中，從而有效降低醫(yī)療數(shù)據(jù)泄露的風(fēng)險(xiǎn)。Liu等人[15]基于可搜索加密機(jī)制對(duì)醫(yī)療數(shù)據(jù)進(jìn)行加密，有效地實(shí)現(xiàn)患者與醫(yī)療機(jī)構(gòu)之間數(shù)據(jù)的便捷檢索，同時(shí)降低了數(shù)據(jù)被泄露的風(fēng)險(xiǎn)。Zhai等人[4]對(duì)用戶(hù)加密的電子醫(yī)療數(shù)據(jù)建立安全索引，結(jié)合代理重加密技術(shù)與分布式密鑰管理技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)患者敏感信息的隱私保護(hù)。

ElRahman等人[16]通過(guò)區(qū)塊鏈技術(shù)處理邊緣計(jì)算的各種安全性挑戰(zhàn)。Yang 等人[17]結(jié)合區(qū)塊鏈與數(shù)據(jù)審計(jì)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了醫(yī)療云數(shù)據(jù)的安全存儲(chǔ)與共享，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)與用戶(hù)身份的隱私保護(hù)。另外，對(duì)于EMR數(shù)據(jù)共享過(guò)程的數(shù)據(jù)可擴(kuò)展性受限的問(wèn)題，Li等人[18]提出一種基于分片技術(shù)的區(qū)塊鏈擴(kuò)容共享方案，該方案提高了病人對(duì)自己敏感數(shù)據(jù)的掌握度，并且顯著提升了檢索效率。

（2）數(shù)據(jù)共享性

在已有的文獻(xiàn)中，主要在云存儲(chǔ)的基礎(chǔ)上采用區(qū)塊鏈技術(shù)與訪問(wèn)控制等安全技術(shù)相結(jié)合的方法，確保共享數(shù)據(jù)的對(duì)方是受信任的、安全的，實(shí)現(xiàn)醫(yī)療數(shù)據(jù)的高效、安全共享。Yang等人[19]結(jié)合屬性加密與區(qū)塊鏈機(jī)制，將大部分復(fù)雜的密文操作外包給云服務(wù)器，大大降低了用戶(hù)端的計(jì)算開(kāi)支，同時(shí)保證了數(shù)據(jù)的隱私性。Zhe等人[20]對(duì)患者醫(yī)療信息的敏感度進(jìn)行分級(jí)和訪問(wèn)管理，實(shí)現(xiàn)了患者醫(yī)療數(shù)據(jù)對(duì)醫(yī)療機(jī)構(gòu)的上傳以及對(duì)其他用戶(hù)的共享。Zhang等人[21]結(jié)合屬性加密，利用CP-ABE加密電子醫(yī)療數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)病人數(shù)據(jù)的細(xì)粒度訪問(wèn)控制。Ekblaw等人[22]結(jié)合區(qū)塊鏈中的智能合約技術(shù)，通過(guò)設(shè)置訪問(wèn)控制權(quán)限，實(shí)現(xiàn)了不同醫(yī)療機(jī)構(gòu)中的數(shù)據(jù)共享。Shen等人[23]利用智能合約機(jī)制管理EMR數(shù)據(jù)的訪問(wèn)權(quán)限控制，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的安全共享。Zhou等[24]將智能合約和密文策略屬性加密技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)具有時(shí)間維度的細(xì)粒度訪問(wèn)控制，進(jìn)一步確保了醫(yī)療數(shù)據(jù)在共享時(shí)的安全。

如何在保證對(duì)醫(yī)療數(shù)據(jù)的較高利用率，挖掘數(shù)據(jù)價(jià)值的同時(shí)，切實(shí)保護(hù)用戶(hù)隱私，是目前醫(yī)療研究領(lǐng)域的關(guān)鍵問(wèn)題。利用區(qū)塊鏈技術(shù)在實(shí)現(xiàn)電子醫(yī)療高效共享還仍然不少困難問(wèn)題：

1）由于區(qū)塊鏈自身的性能限制，目前大多數(shù)的區(qū)塊鏈系統(tǒng)不能提供高吞吐率以及高可伸縮性來(lái)滿(mǎn)足當(dāng)前的大數(shù)據(jù)量或大交易量的處理需求;

2）由于電子醫(yī)療數(shù)據(jù)的潛在價(jià)值較大，如何使不同的醫(yī)療機(jī)構(gòu)之間安全高效地實(shí)現(xiàn)電子醫(yī)療數(shù)據(jù)的共享是目前比較熱點(diǎn)的研究問(wèn)題之一。

3）在密鑰安全的前提下，依靠區(qū)塊鏈技術(shù)可以完成數(shù)據(jù)的全程不可逆、不可偽造，而密鑰是由用戶(hù)生成且保管的，沒(méi)有第三方參與。一旦密鑰丟失，則無(wú)法對(duì)賬戶(hù)數(shù)據(jù)進(jìn)行任何操作。

以上概括總結(jié)了目前區(qū)塊鏈技術(shù)在電子醫(yī)療共享中遇到部分困難問(wèn)題，也是我們未來(lái)需要探討的研究方向。

4 總結(jié)

本文根據(jù)現(xiàn)有的文獻(xiàn)，對(duì)電子醫(yī)療記錄的數(shù)據(jù)安全共享進(jìn)行了總結(jié)與分析。由于基于云計(jì)算集中化存儲(chǔ)的EMR數(shù)據(jù)共享中存在著數(shù)據(jù)泄露和被篡改等信息安全問(wèn)題，而具有去中心化、分布式存儲(chǔ)特性的區(qū)塊鏈技術(shù)能夠有效避免上述弊端。本文分析了區(qū)塊鏈技術(shù)在EMR數(shù)據(jù)共享領(lǐng)域的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)針對(duì)區(qū)塊鏈技術(shù)應(yīng)用于醫(yī)療數(shù)據(jù)共享中存在的問(wèn)題，本文也做了系統(tǒng)性的分類(lèi)分析與總結(jié)。最后，也針對(duì)目前存在的部分有待研究的問(wèn)題進(jìn)行了梳理，這對(duì)推動(dòng)區(qū)塊鏈技術(shù)在電子醫(yī)療領(lǐng)域的研究發(fā)展具有極大的推動(dòng)作用。

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