超级账本框架下医疗记录安全共享机制研究.pdf
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1、第 39 卷 第 8 期 福 建 电 脑 Vol.39 No.8 2023 年 8 月 Journal of Fujian Computer Aug.2023 本文得到中国高校产学研创新基金“新一代信息技术创新项目”(No.2021ITA05034、No.2021ITA05024)、吉林省高等教育研究课题(No.JLJJ719920190723194557)、吉林师范大学校级项目“三基一新”型计算机专业人才培养模式研究与实践、吉林师范大学博士启动项目(No.吉师博 2022014)资助。姜楠,女,1999 年生,主要研究领域为计算机应用技术与信息安全。E-mail:。周芃伟,女,1999 年生
2、,主要研究领域为智能算法、计算机网络。E-mail:。周伟(通信作者),女,1979 年生,主要研究领域为计算数学、计算机应用技术。E-mail:。谭振江,男,1965 年生,主要研究领域为计算机应用技术、信息安全。E-mail:。超级账本框架下医疗记录安全共享机制研究 姜楠 周芃伟 周伟 谭振江 (吉林师范大学数学与计算机学院 吉林 四平 136000)摘 要 针对当前医疗系统记录透明度低、激励机制不适当和医学证据公认度低等问题,本文提出了一种基于超级账本的手术医疗记录的安全与共享机制。通过 Fabric 平台,在诊疗者和患者之间创建单独的通道,记录并共享手术的全过程,将生成的公认医学数字证
3、据存储在超级账本中,就诊医院则存档该记录的哈希索引,然后通过链码给予患者高度的手术记录控制权,即患者决定共享的通道和对象。同时设计了一种轻量级的鉴定共识策略,超级账本通过这种鉴定共识机制鉴定手术报告的质量。该机制有效地缓解了医患矛盾,提高一定程度的精准医疗并促进手术医疗记录的数字化。关键词 区块链;超级账本;智慧医疗;安全机制;数据共享 中图法分类号 TP399 DOI:10.16707/ki.fjpc.2023.08.008 A Research on Security and Sharing Mechanism of Medical Records based on Hyperledger
4、 JIANG Nan,ZHOU Pengwei,ZHOU Wei,TAN Zhenjiang (School of Mathematics and Computer Science,Jilin Normal University,Siping,China,136000)Abstract Addressing the problems of low transparency,inappropriate incentive mechanism and low recognition of medical evidence in the current medical system,a securi
5、ty and sharing mechanism of surgical medical records based on super ledger is proposed.Through the Fabric platform,a separate channel is created between doctors and patients to record and share the whole process of surgery,and the recognized medical digital evidence generated is stored in the Hyperl
6、edger,while the hospital files the hash index of the record.Then,the patient is given a high degree of control over the surgical record through the chain code,that is,the patient decides to share the channel and object.At the same time,a lightweight appraisal consensus strategy is designed,through w
7、hich the Hyperledger assesses the quality of surgical reports.This mechanism effectively alleviates doctor-patient conflicts,improves precision medicine to a certain extent and promotes digitalization of surgical medical records.Keywords Blockchain;Hyperledger;Wisdom Medica;Security Regime;Data Shar
8、ing 1 引言 随着大数据时代的到来,医疗信息化发展迅猛,健康医疗大数据正式成为我国重要的基础性战略资源1,但是,医疗大数据在数据共享背景下也面临着隐私安全的挑战2。首先,医疗数据中包含患者的个人基本信息3。若把这些数据存储在半可信的云系统上,云系统可能会未经允许便查看或使用患者的医疗数据,从而出现患者对本人数据不可控、隐私泄露等问题4-5。基于此,薛庆水等提出了一种基于属性加密的个人医疗数据共享方案6。该38 姜楠等:超级账本框架下医疗记录安全共享机制研究 第 8 期 方案通过患者自主设置共享策略的方式来实现数据共享,但是当数据有争议时,不具备可追溯性。曹萌等构建了基于区块链的医疗数据分级
9、访问控制与共享系统7。该系统采用了密文策略属性分级加密算法(CP-ABHE)实现对不同医疗隐私数据的处理,然后运用区块链技术解决去中心化问题,但是在数据共享时耗能较高。因此,本文以超级账本技术为核心,构建了基于超级账本(Hyperledger)的手术医疗记录的安全与共享机制。通过调查发现,所有的医疗数据中手术记录的 IT 采用率和覆盖率最低,而且生活中会时常发生很多医疗纠纷事件。由于手术和护理记录的透明程度低,很多患者对医疗机构产生误解,认为医疗机构存在伪造数据、篡改材料等行为,因此公认的数字证据显得格外重要。另外,手术成功率高的医生不能直接获得相应的报酬,导致很多医生选择从药物中获取经济回扣
10、。目前,绝大部分集中化商业管理的医疗平台虽然技术已经成熟,但是互信互利性差,导致企业间无法安全地进行数据交换。针对上述问题,本文构建了两个安全与共享模型,分别是一级研究目标(各个医疗机构)模型和二级目标(每个手术室)模型。一级模型主要解决不同医疗机构互操作的问题,而二级模型实现了如何获取完整的手术记录。其次,本文设计了一种基于属性的访问控制链码(智能合约),加强了共享记录的安全性。最后,提出了一种轻量级的共识机制,通过随机的专家群节点鉴定手术质量报告,使得优秀的医生可以获取直接的经济回报。本文提出的安全与共享机制在一定程度上缓解医患矛盾,提高医疗服务质量并促进手术记录的数字化。在确保安全存储的
11、同时,有权限的共享手术记录将在医疗领域中起到重要的探索作用。2 问题分析与阐述 区块链技术与医疗数据的结合是国内外研究的热点,受到了很多专业人士及企业的重视,尤其是在据隐私保护和数据共享方面,通过学者们的不断探索,取得了一定的工作成果。美国麻省理工学院的Azaria等提出的基于区块链技术的记录管理系统 Med Rec,实现了区块链与大数据相结合的医疗信息共享平台。该文献也是“区块链+医疗”领域的核心文献。区块链技术的去中心化、高信任、可追溯、不可篡改等特性,为解决数据存储和共享的安全性问题提供了解决路径8。超级账本是一项开源合作技术,旨在构建企业级区块链。超级账本引入了独特的权限管理,保证了用
12、户的敏感数据不被泄露9;没有共识协议和加密货币作为奖励机制,超级账本可以为商业应用提供更强的性能10;超级账本能够全面追踪记录并实时广播到区块链网络,使得每一个数据无法篡改,并且追责时能够落实到个人11。超级账本的主要架构如图 1 所示。成员账本交易链码成员关系服务注册管理登记管理区块链服务分布式账本共识管理账本存储p2p协议链码服务容器环境安全注册服务事件 图 1 超级账本主要架构 Hyperledger Fabric 是一个开源分布式账本平台。Fabric 中的智能合约称为链码,由链码编码的智能合约将共享片段、共享时间以及共享对象的决定权交给患者12。提出的安全与共享机制提高了用户对医疗记
13、录的掌握权,由于链码具有自动处理的功能,一旦达成设置好的条件即可自动执行,大大减少了繁琐的手术步骤,从而提高手术记录的处理效率13。超级账本的共识机制根据不同的业务需求部署节点共识过程,说明参与共识过程的节点不再是全部的节点,而是被选中的一部分节点。面对复杂的手术医疗记录,选择高效的共识算法提高共识效率极为关键14。现有的共识算法通常针对特定场景改进和优化主流共识算法(如 PoW、Pos、PBFT 和 Raft)15。这些共识算法根据共识依据的不同可以分为基于证明的共识算法和基于投票的共识算法。表 1 对基于证明的公式算法和基于投票的共识算法进行了对比,发现没有一种共识算法是完美的。通过综合分
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