基于區塊鏈技術的ICU 監護數據管理平臺研究

朱一新，徐挺玉

（南京醫科大學第一附屬醫院（江蘇省人民醫院）信息處，江蘇 南京 210029）

0 引言

重癥監護病房（Intensive Care Unit，ICU）是以救治急危重病人為中心的精確診療醫療單元。通過現代化的醫療監護儀器設備，可以全面、深入、系統地觀察和分析患者病情，并提供給醫護人員及時、有效的決策數據。重癥監護病房醫護人員的醫療水平、監護儀器設備的配置狀況，已成為衡量一所現代化醫院急救醫療水平的重要標準。將ICU 病房內各類醫療設備聯網，建設數據交互與協同醫療管理平臺，可以更加高效地獲取患者及設備相關數據，實現信息集成，加快院內信息互聯互通，通過對監護數據的預防性監測降低臨床風險和不良事件。

ICU 病房中醫療設備產生的海量的監護數據具有其特殊的敏感性和重要性，醫療數據安全不僅關系到患者的個人隱私、重癥監護行業發展，甚至關系到國家安全。當前情況下，基于監護數據的安全保護技術引起了人們的重視。隨著區塊鏈技術的發展，通過數據層非對稱加密、網絡層P2P 協議、共識層各類共識算法等，解決了數據的可信問題[1]。通過應用區塊鏈技術，無需第三方可信機構介入，解決了由中心化模型產生的安全問題[2-3]。

利用區塊鏈的這些特性，可以將監護數據以數字簽名的方式進行標記保存，實現監護數據的安全性、可追溯性。隨著學者對區塊鏈的研究，以太坊的概念在2013 年被提出來，標志著區塊鏈2.0 時代的到來，智能合約層的提出使區塊鏈技術能夠擴展和應用到各大領域[4-6]。黃銘鈞等提出區塊鏈框架概念和高效存儲引擎，并用于收集醫療數據、給出預測性健康報告等。Gem 公司基于區塊鏈技術，進行醫療供應鏈管理，提高了患者訪問控制的安全性。PokitDok 公司提出了DokChain 醫療區塊鏈，用于對醫療領域的財務數據和臨床數據的交易處理。2015年，區塊鏈技術從金融領域擴展到醫療、物聯網領域。Chronicled 公司為醫療供應鏈和物聯網客戶構建基于區塊鏈技術的應用，實現從醫療設備、制藥到包裹追蹤的一系列應用。

本文主要從ICU 監護數據交互平臺與醫院協同管理平臺（下文簡稱為數據交互管理平臺）建設需求、基于聯盟鏈的數據交互管理平臺的存儲和訪問、基于聯盟鏈的數據交互管理平臺安全認證與訪問控制模型，這3 個方面來分析如何運用區塊鏈技術實現ICU 監護數據交互平臺與醫院協同管理平臺的建設和應用。

1 基于ICU 監護數據管理平臺建設需求

當前，雖然大多數ICU 病區已建設中央監護儀來記錄患者監護數據，但呼吸機、輸液泵、心電監護儀、血透機、血壓計等設備數據仍為單機版，并沒有一個用于數據記錄、集成交互的平臺，仍需要人工進行測量和錄入工作，這增加了醫護人員的工作，且無法保證監護數據的真實性和準確性。同時由于發生醫療行為的地點相對分散，導致數據記錄方式相對局限，患者臨床信息分散，無法將患者完整的監護數據記錄到系統中，存在信息碎片化現象，因此需要一個可以全方面、高效率獲取患者監護信息的綜合管理平臺。

隨著大數據時代的到來，醫療數據安全問題會日趨嚴重[7]，如何建設傳輸和存儲安全的數據交互管理平臺是保護患者監護數據的重要的部分[8]。與此同時，為打破信息孤島，各系統、各醫療部門、各醫聯體、各衛生管理部門間均需要進行醫療數據的信息共享，而當前大多數的數據交互管理平臺主要是中心化存儲方式，并且由于數據儲存的標準與系統不同，導致實現系統間互聯互通需要花費大量的時間和精力進行改造。醫療數據的完整性和可用性是順利開展醫療行為的基本保證[9]，衛生管理機構、醫療機構、醫療人員和患者都迫切需要一種能夠在各醫院之間實現醫療信息共享,并且能夠保證患者信息不會泄露的數據交互管理平臺。

同時，在建設ICU 監護數據交互管理平臺時，需要考慮到：ICU 監護設備往往計算和存儲能力較弱，甚至有些監護設備的傳感器節點沒有存儲和計算能力，要如何進行授權決策管理問題；監護設備數量較多，種類各不相同，其產生的數據格式也不一致的問題；如血透機、呼吸機等監護設備往往價格較高，存在多個床位使用同一臺設備的情況，從而需要考慮監護設備的移動性和動態接入問題。

區塊鏈可以根據參與者的不同，按照訪問管理權限劃分為公有鏈、聯盟鏈和私有鏈。公有鏈的參與者或者參與節點可以自由進出網絡，因此，公有鏈需要考慮網絡中存在故障節點和作惡節點的情況；聯盟鏈是指由若干機構聯合發起且僅限于聯盟機構參與的區塊鏈，與公有鏈的區別在于聯盟鏈的網絡節點需要嚴格的認證和審核才能加入或退出。與公有鏈相比，網絡節點數量較少,且節點間有相對程度的信任；私有鏈一般為私有機構自己組建，適用的場景一般不考慮存在作惡節點，只考慮因系統或網絡原因導致的故障節點情況。區塊鏈在醫療行業的應用，一般是一家或幾家醫療機構、衛生管理機構或醫聯體間進行數據共享和互聯互通，這些機構接受政府監督與管理，具有嚴格的驗證和審查。根據上述特點，本文建設基于聯盟鏈的ICU 監護數據交互管理平臺，基本架構如圖1 所示。

圖1 ICU 監護數據管理平臺架構圖

2 基于聯盟鏈的數據交互管理平臺存儲

由于區塊鏈自身具有不可篡改和隱私保護的特性，因此基于聯盟鏈的數據交互管理平臺的應用對ICU 監護設備訪問控制提供了第三方的可信平臺，為ICU 病房中所有涉及到物聯網的相關監護設備提供訪問控制的計算和存儲能力。

建立一個基于ICU 監護數據管理平臺的區塊鏈，首先需要設計區塊，一個區塊包括頭和區塊體，區塊頭設計有：上一個區塊ID、公鑰、數字簽名、默克爾樹根哈希值、時間戳，還包括加密的交易單（個數或內容）、交易單ID。區塊體主要保存監護數據、呼吸機數據、血壓數據、透析數據、輸血數據、心電數據、鎮痛泵數據等，對數據進行哈希運算并形成默克爾樹根哈希值，實現了安全性認知，提高了數據同步效率，解決了大數據量問題，實現了零知識證明。通過存儲父區塊實現區塊與區塊的關聯，邏輯上將區塊串成了鏈。此外，本項目設計增加了索引模塊包括區塊哈希值、區塊數、交易ID、交易類型、分類索引、存儲地址、數字簽名、時間戳、公鑰，從而方便快速定位區塊，進行監護數據交互。

對數據進行加密與驗證采用SHA256 哈希算法，數字簽名采用RSA 數字簽名算法，節點對傳輸的ICU 監護數據進行支付驗證和交易驗證，具體實現方式如：首先A 節點用私鑰對其監護數據的哈希值進行簽名，與監護數據一起傳送給接收者B 節點，B節點對簽名用公鑰解密，并將監護數據進行哈希運算，比較兩次數據是否相同，實現數據交互過程中防篡改問題，A 對信息進行了簽名，同時也是無法抵賴的。

區塊上鏈時，索引模塊會記錄該交易單ID、交易類型、不同分類交易單的索引、時間戳、數字簽名和公鑰，生成一張映射表，提高數據訪問速度，其中交易單類型分為臨床數據類、實體信息類、交互類的交易類型。區塊鏈通過分布式架構，建立點對點的非集中架構的信任存儲模式，以及賬本結構的形式實現公開透明性和數據不可篡改性，最終實現中央存儲方式到分布式存儲方式的轉換。在存儲過程中，每個區塊的數據都會序列成字節碼的形式寫入 dat 文件中，在寫入數據的過程中，通過索引模塊會生成區塊和交易相關的元數據、數字簽名、公鑰、時間戳等信息，存儲到數據庫中。數據層結構圖如圖2 所示。

圖2 ICU 監護數據管理平臺數據層圖

3 基于聯盟鏈的數據交互管理平臺建設

基于監護數據的醫療聯盟鏈的節點，包括驗證交易和區塊正確性的驗證器和生成器，節點采用Raft共識算法，主要分為領導節點、跟隨節點、候選節點三種狀態，按照時間順序輪流做主節點，進行日志消息的記錄與分發。當數據交互管理平臺客戶端發來請求時，領導節點并行發送消息給其他節點，當其他節點收到請求后驗證區塊的正確性，反饋給領導節點，并在下一個心跳中領導節點會通知所有其他節點更新確認區塊鏈。

在本項目數據交互過程主要從設備采集客戶端、數據交互管理客戶端、消費客戶端、區塊節點進行。ICU 監護設備的采集程序主要是從呼吸機、監護儀、輸液泵、血透機等設備中獲取患者生命體征數據，設備采集器本身只進行監護數據的采集工作，上鏈生成的患者監護數據只有基本生命體征數據和相應儀器ID，即臨床數據類信息。數據交互管理客戶端可以增加、修改、更新患者身份信息和患者與監護設備關聯關系信，該類信息定義為實體信息類。具體數據交互模式如下圖所示。消費客戶端主要是只從區塊鏈中獲取患者對應的監護數據，對消息進行訪問，我們將客戶端對區塊鏈中數據進行訪問的操作信息定義為交互類信息，記錄并上鏈。項目采用標準規范化數據傳輸接口，不同客戶端設置不同訪問權限，產生的交易也為不同交易類型。通過對客戶端進行安全認證，避免患者監護數據被竊取泄露。

最終達到的效果就是監護設備客戶端上傳數據至區塊節點，區塊leader 節點，生成一個區塊發給各follower 節點，認證沒有問題后，進行上鏈操作。同時數據管理平臺可以進行數據的展示和第三方系統進行數據共享，最終實現通過區塊鏈存儲應用ICU監護管理中，進行患者生命體征全方位的監測。管理平臺的數據交互模式如圖3 所示。

圖3 ICU 監護數據管理平臺數據交互模式圖

4 討論

本文提出了基于聯盟鏈的數據交互管理平臺安全認證與協同調度模型中對交易單進行分類管理，包括臨床數據類、實體信息類、交互類的交易類型，建設索引模塊，有助于交互平臺的可擴展性和可追溯性。采用了Raft 共識機制,能夠保證以很小的算力來實現系統安全穩定的運行，且保障了系統的執行速度和系統吞吐量。該平臺以較少的節點啟動,有助于區塊鏈技術在醫療信息方面的應用推廣。較新穎地將區塊鏈技術結合到硬件設備數據采集和數據共享等方面，實現了基于物聯網設備和數據交互平臺的聯盟鏈設計和多角色訪問控制，解決了醫療聯盟跨機構間數據共享和安全性問題，為基于物聯網和數據交互平臺的醫療信息安全和協同管理建設提供一定的參考。