基于區塊鏈技術的醫療設備采購管理系統的設計與實現

張振奇，齊藝涵，盧漫，李曉陽，曾永康，尹剛

電子科技大學附屬腫瘤醫院·四川省腫瘤醫院 a.總務處；b.財務處；c.超聲科，四川 成都 610041

引言

在現代醫療體系中，醫療設備在諸如疾病預防、診斷、治療以及康復等方面發揮了不可或缺的作用。近年來，隨著我國醫療設備采購額的激增，采購過程中出現的問題也隨之增多[1]，主要原因是監督困難，無法對采購過程中的所有環節進行完整監控[2]。目前許多單位仍在使用紙質資料，沒有形成標準化流程，采購原始資料易丟失或被篡改，需要加強信息化建設[3-4]；另有一些單位雖然已經使用信息系統，但所用的信息系統基本都是傳統設計方案[5-6]，數據可以被高級權限修改，存在數據被篡改等風險。區塊鏈技術[7]是一種基于密碼學的計算機技術，具有不可篡改、不可偽造的特點。區塊鏈技術主要有三大關鍵機制[8]，分別是密碼學原理、共識機制及默克爾樹數據存儲結構，三種機制的結合使得系統數據不能被篡改和偽造。其中，密碼學原理是指能將任意長度的字符串輸出為固定長度的哈希值，所得的哈希值具有單向性，無法根據哈希值倒推出字符串內容；共識機制指的是在一定的算法下，參與各方對數據交互及存儲的認可，區塊鏈技術通過共識機制建立信任度，使得多方可以共同參與監督；默克爾樹數據存儲結構指的是采用默克爾樹進行分布式存儲數據。

目前，以區塊鏈技術為基礎的信息系統正在快速發展中，徐延輝等[9]利用區塊鏈技術，構建出適應技術迭代的現代社會信任體系；賈朋飛等[10]設計出基于互聯網的在線取證系統，通過區塊鏈技術保證了數據的真實性；谷寧靜[11]設計了基于區塊鏈的電子政務數據共享平臺；翟歲兵[12]將區塊鏈技術應用于會計審計方面，保證了會計審計數據的安全性。在醫療信息領域中，楊莉等[13]將區塊鏈應用于植入物追溯系統，能對植入物進行完整的溯源；張劍等[14]將區塊鏈用于電子病歷數據存儲系統；姚麗菡等[15]將區塊鏈用于物聯網云聯健康管理系統；董婉婷[16]將區塊鏈用于醫療數據安全存儲；朱一新等[17]將區塊鏈技術用于ICU 監護數據管理平臺；金憲珊等[18]基于區塊鏈設計并實現了醫療數據共享安全平臺，以上案例均展現了區塊鏈技術的廣泛應用。

長期以來，采購資料都是審計、紀檢及上級部門監督的重點，而使用傳統采購方法的采購資料易丟失和被篡改。如何保存最完整的采購數據成為當前面臨的難題，區塊鏈技術則是解決此問題的良好方案。經檢索，目前少有將區塊鏈技術應用于醫療設備采購管理方面的案例，本研究擬設計并實現基于區塊鏈技術的醫療設備采購管理系統，利用區塊鏈技術不可偽造、不可篡改的分布式數據存儲的特點，使得采購信息能夠在系統中完整留痕，以解決現有醫療設備采購中存在的問題，提高采購數據的完整性和可信度。

1 基于區塊鏈技術的醫療設備采購管理系統的設計

1.1 設計思路

基于區塊鏈技術的醫療設備采購管理系統的主要用戶包括監管機構、采購人、采購機構、評審專家及供應商，可以滿足不同用戶角色的需求。采購人的主要需求為實現采購的電子化申請及審批；采購機構的主要需求為實現招標投標電子化管理；供應商主要需求為實現電子化投標及履約；監管機構（審計、紀檢部門或上級監督部門）主要需求為實現對整個采購流程的監督，并保證數據可靠無篡改；評審專家的主要需求是實現線上評審。

本研究的核心設計理念是運用區塊鏈技術來記錄并保存醫療設備采購過程的全生命周期信息，涵蓋了從采購申請、審批、采購及安裝等各個環節。借助區塊鏈技術的不可篡改特性，使用去中心化服務器結構，使得各個節點可以同步保存區塊鏈和數據庫中的信息。因此，各個環節的相關使用人員可以利用各自的密鑰進行信息處理，從而確保信息的安全性和可追溯性。

1.2 開發環境

本研究系統采用Python 編程語言設計，使用Django 框架，數據庫使用SQLite，在實際的工作實踐中，也可以根據具體需求選擇如Java、C++、PHP 等其他編程語言和數據庫系統。主要管理維護人員可以通過后臺對系統進行操作和維護，其他用戶則需要登錄相應的網頁端完成操作。

1.3 系統架構

基于區塊鏈技術的醫療設備采購管理系統包含區塊鏈服務器、采購人客戶端、采購機構客戶端、供應商客戶端、監管機構（審計、紀檢部門或上級監督部門）客戶端。系統為3 層結構，分別是設施層、區塊鏈技術層和區塊鏈應用層，見圖1。其中，設施層主要包含區塊鏈服務器。區塊鏈技術層主要實現數據區塊鏈化，利用密碼學原理、共識機制、默克爾樹數據存儲結構將整個采購事件流區塊化，通過應用程序編程接口、軟件開發工具包、事件通知等聯系區塊鏈應用層。區塊鏈應用層包含應用和查詢兩方面，應用主要為采購信息的收集，包括采購前信息填報、采購審批、采購信息發布、供應商投標信息、評標信息、中標信息、中標履約信息等；查詢主要是對系統信息進行查詢，包括審計、紀檢部門信息查詢、上級監管部門信息查詢、過往信息回溯查詢等。

圖1 系統總體設計圖

1.4 系統功能模塊

系統的功能模塊主要包括采購人申請模塊、采購機構招標投標模塊、供應商履約模塊及查詢模塊，以滿足不同用戶角色的需求。其中，采購申請模塊為采購人發起采購申請，進行采購前的信息填報；采購機構招標投標模塊主要為采購部門發布采購信息，發布的采購信息可通過接口同步至相關平臺，有意向的供應商進行投標，采購機構組織評審專家進行評標，完成招標后發布中標信息；供應商履約模塊為中標供應商進行中標履約，上傳中標履約情況等；查詢模塊供使用者對歷史數據進行回溯查詢及監管部門如審計、紀檢部門、上級監管部門進行查詢。系統的投標資料填寫界面如圖2所示。

圖2 區塊鏈采購管理系統部分界面

1.5 業務流程

主要的業務流程為：① 采購人使用密鑰進行采購前信息的填報，如項目預算、項目需求、潛在供應商資格條件等信息。② 采購部門使用密鑰進行采購信息發布，將采購預算、項目需求等信息進行公開，征集潛在的供應商參與投標。該系統的信息發布可根據采購人的需求決定是否外聯第三方，如中國政府采購網或各地的政府采購網。③ 潛在供應商注冊后參與投標活動，使用密鑰進行在線投標，上傳投標文件。評審專家使用密鑰進行在線評標，監督人員進行線上監督。④ 評標結束后，采購機構根據評標結果，向中標供應商發出中標通知書，并與中標供應商簽署中標履約合同。⑤ 隨后供應商進行中標履約，待供應商履約完成后，使用部門根據履約情況進行履約評價。上述過程可根據使用者采購方式及采購政策的變化進行適當調整，系統將對整個流程中產生的數據進行實時區塊化處理。

1.6 系統核心技術

系統的核心功能是利用區塊鏈密碼學原理、共識機制及默克爾樹數據存儲結構將整個采購流程中的數據進行區塊化處理，涵蓋采購申請、招標投標過程、供應商履約等所有采購活動數據，包括系統填寫的數據、附件上傳的數據及系統產生的數據，其中數據區塊化處理如圖3所示。

圖3 數據區塊化模式圖

（1）建立1 個創世區塊，該創世區塊沒有上級區塊，將自定義的數據分解成若干個數據集（具體視數據大小進行分解，不限于圖3 中的4 個數據集），按照默克爾可信樹生成算法，生成默克爾可信樹根，再使用私鑰對生成的默克爾可信樹根進行加密；最后鏈接編號、時間戳和其他信息，從而生成創世區塊鏈。其主要代碼如圖4所示。

圖4 主要代碼一

（2）對流程中產生的采購前、采購中和采購后的信息數據依次進行處理，處理方式與創世區塊類似，將每個信息分解成若干個數據集（具體視數據大小進行分解），按照默克爾可信樹生成算法，生成默克爾可信樹根，再使用私鑰對默克爾可信樹根進行加密，將信息的數據集、默克爾可信樹根以及編號存入服務器端。

（3）區塊成鏈首先需獲取上級區塊鏈，再鏈接時間戳和編號，以及加密后的默克爾可信樹根和其他信息，從而生成數據區塊鏈。其主要代碼如圖5所示。

圖5 主要代碼二

整個系統生成的區塊鏈為公鏈，將和系統數據一起保存至各個分布式服務器中。利用區塊鏈的技術優勢，如果使用者在系統中嘗試修改原始資料，則根據默克爾可信樹的算法原理，任何修改都會使存入數據的哈希值發生變化，產生的區塊信息和現有區塊不相符，導致整個區塊鏈發生變化，系統就會立刻判定數據已經被篡改。

2 基于區塊鏈技術的醫療設備采購管理系統的應用效果測試

2.1 基礎業務流程的應用效果測試

系統包括采購人客戶端、采購機構客戶端、供應商客戶端、監管機構（審計、紀檢部門或上級監督部門）客戶端。為了測試系統是否滿足需求，針對不同模塊對系統進行測試，測試時模擬真實的使用情況，由工作人員填寫完整的業務數據，檢測系統運行情況。如表1所示，所有的模塊業務都通過了測試，可以滿足整個采購流程中的業務需求。

表1 主要模塊業務測試表

2.2 區塊鏈成鏈的效果測試

系統生成了區塊鏈公鏈，系統區塊鏈部分公鏈如圖6所示。該公鏈第一部分數據為創世區塊，經測試，在整個采購流程中的每個環節，每次數據增加時，便同時產生新的區塊。這些形成的區塊為整個系統的核心內容，是實現不可篡改、不可偽造的關鍵。如數據篡改，將會導致系統的公鏈不一致，系統就會立刻判定數據已經被篡改。

圖6 區塊鏈部分公鏈展示

2.3 系統的性能測試

為了保證系統的性能能夠滿足要求，本研究對系統性能進行了測試，使用Python 的Selenium 進行系統模擬測試，然后利用Python 的time 包記錄模塊的平均響應時間，系統性能測試結果如表2所示。一般來說，當用戶在2 s 以內得到響應時，會判定系統的響應速度很快。如表2所示，各模塊的平均響應時間均＜2 s，響應速度快，系統性能良好，滿足使用要求。但需要注意的是，此測試只代表實驗室數據，后續隨著系統的使用，性能可能會有所下降，屆時需要不斷優化及增加相應的配置。

表2 主要系統性能測試結果（ms）

2.4 系統數據防篡改機制的效果測試

（1）在正常的操作下，通過系統查詢端進行查詢時，系統首先對數據庫數據進行校驗，遍歷整個數據庫，生成1 條新鏈，如果新鏈與現有的公鏈數據一致，則會出現如圖7所示內容，可以判定此服務器的數據沒有被篡改。

圖7 系統查詢端數據正常界面

（2）在實驗中，通過管理員權限強行隨機修改數據庫中某值，導致新鏈與現有的公鏈數據不一致，則會出現如圖8所示內容，系統會立即進行異常提醒，可以判定此服務器的數據已經被篡改。由于系統服務器是分布式去中心化設計，每個區塊鏈服務器都獨立地保存了完整的系統數據，根據區塊鏈共識機制，可以通過檢索其他服務器查找出正確的原始數據，從而保證原始資料的可靠性。

圖8 系統查詢端數據異常界面

2.5 系統安全性測試

系統安全性測試是保證系統安全的重要環節，采用第三方工具對其進行測試，測試內容包括網絡安全、身份驗證安全，測試內容及測試結果如表3所示。結果顯示，系統通過了安全性測試，但需要注意的是，此測試只代表實驗室數據，后續隨著系統的使用，需結合實際進行安全方面補充和完善。

表3 系統安全測試結果

3 討論與總結

傳統的采購流程多依賴紙質記錄，采購資料易丟失。鄧勛等[5]設計了區域醫療器械計劃預算管理平臺，于愛婧等[6]提出了基于.Net 技術的醫療設備自動化采購管理系統，然而，這些系統設計均為中心化設計方案，高級權限者可以對數據進行篡改。本研究使用區塊鏈技術[7]，設計并實現了基于區塊鏈技術的采購管理系統，并對系統進行了完整的測試。利用區塊鏈密碼學原理、共識機制和默克爾樹數據存儲結構的優勢，對整個采購流程中的數據進行了區塊化處理，保證了整個采購流程中產生數據的完整性和可靠性，并有效地防止了篡改，使采購信息可以在系統中得到完整的留痕，方便事后監督和追溯，從而實現對醫療設備采購的全方位管理。

然而，區塊鏈系統的設計較為復雜，而且也存在上鏈速度慢等問題。隨著技術的不斷進步，該問題也可以得到解決，可以進一步擴展系統應用范圍，并與醫院的其他系統如物資管理系統、付款系統等結合，實現全方位的區塊化，從而確保每個環節的數據都是安全可靠的。

隨著科技的不斷發展，該系統可以與5G、物聯網、Web3.0 等技術結合，對醫療設備的全生命周期進行監控，對采購活動進行全方位評估[19-20]，從而更加精細化、科學化地對醫療設備從預算、采購、使用到報廢進行全生命周期管理。

綜上所述，將區塊鏈技術應用于醫療設備采購管理系統是可行的方案，其保證了整個采購流程中產生的數據完整可靠并防止篡改，使得采購信息能夠在系統中完整留痕，從而對醫療設備的采購進行全方位管理。