引用本文

薛腾飞, 傅群超, 王枞, 王新宴. 基于区块链的医疗数据共享模型研究. 自动化学报, 2017, 43(9): 1555-1562. doi: 10.16383/j.aas.2017.c160661

XUE Teng-Fei, FU Qun-Chao, WANG Cong, WANG Xin-Yan. A Medical Data Sharing Model via Blockchain. ACTA AUTOMATICA SINICA, 2017, 43(9): 1555-1562. doi: 10.16383/j.aas.2017.c160661

http://www.aas.net.cn/cn/article/doi/10.16383/j.aas.2017.c160661

关键词

医疗数据，区块链，共识机制，共享模型 

摘要

根据医疗行业现状，不难发现各医疗机构间共享数据困难，因为医疗数据的校验、保存和同步一直是一个难点.病人、医生以及研究人员在访问和共享医疗数据时存在严格的限制，这一过程需要花费大量的资源和时间用于权限审查和数据校验.本文提出一个基于区块链的医疗数据共享模型，具有去中心化、安全可信、集体维护、不可篡改等特点，适用于解决各医疗机构数据共享的难题.本文详细介绍了模型的组件以及实现原理.将现有医疗机构进行分类，配合使用改进的共识机制实现了方便、安全、快捷的数据共享.此外，通过对比医疗数据共享存在的问题，分析了本模型的优势以及带来的影响.

文章导读

目前全球解决医疗健康信任问题的应用很少, 主要由于医疗记录的校验、保存和同步一直是一个难点.当病人、医生在访问和共享医疗数据的时候会受到严格的限制, 需要花费大量的资源和时间进行权限审查和数据校验.这使得用户获得医疗数据十分困难, 每次使用时需要向类似于健康信息交易所(Health information exchange, HIE)和全员人口数据库(APCD)这样的组织机构提交申请.整个响应过程存在很多问题, 例如响应缓慢、数据可被篡改、数据传输不安全等.这些都严重阻碍了智慧医疗和医疗大数据的发展.

截止到2015年, 至少有10%的医疗记录实现了电子化存储, 较2008年有90%的增长[1] (图 1). 2011年全部类别的医院超过20%都开始建设基础的电子健康记录系统(Electronic health record system, EHRS) (图 2).这说明医疗数据信息化已经相对成熟, 例如类似于EHRS的还有医院信息系统(Hospital information system, HIS)、放射科信息管理系统(Radio information management system, RIS)、医学数字成像和通信系统(Digital imaging and communications, DICOM)、影像归档和通信系统(Picture archiving and communication system, PACS).这些系统都被设计用来解决医疗信息存储和共享等问题.然而区块链技术的诞生, 改变了这种医疗数据集中存储, 需通过组织机构完成权限审查和数据校验的结构, 提出了一种可去除中间机构、增加数据安全性、节约时间和成本的全新模式.

图 1  2008 ~ 2015年护理医院采用基础版EHR与采用\\标准版EHR的占比情况[1]

图 2  不同类型医院采用基础版HER的百分比情况[1]

区块链技术[2]可以帮助医生、病人和研究人员快速安全地认证权限, 实现自由的数据访问和分享.因此, 目前区块链在医疗领域的应用和研究备受关注, 世界上许多公司和研究机构均参与其中.位于瑞士的Healthbank公司是全球数字健康的创新者, 通过区块链采用透明化的方式处理健康系统的事务, 保证了健康数据存储的绝对安全[3]. Gem Health联手飞利浦区块链实验室构建了一个包含区块链的健康生态系统, 推动全球医疗一体化, 使得医疗健康更加个性化和平民化[4].飞利浦医疗与Tierion公司成立新的科研项目, 研究区块链技术是否可以增加医疗健康产业中数据交换的价值. Bithealth机构研究如何采用区块链记录和认证全球的医疗健康数据.

本文介绍和设计了一个基于区块链的医疗数据分享模型(Medical data share model, MDSM), 帮助解决医疗数据存储集中、安全共享难、数据可信度过度依赖组织机构等问题.实现去中心化、安全、不可篡改的医疗数据分享.该模型的主要特点有:

1) 医疗机构联盟服务器群(Medical institution federate servers, MIFS)和审计联盟服务器群(Auditing federate servers, AFS):根据医疗资源分布的现状可以发现, 主要的医疗信息服务和主要的数据存储节点都部署在大医院或者核心医疗机构.因此可以将医疗机构划分等级, 高等级的机构节点加入MIFS成为代理, 第二等级的机构加入AFS作为审计校验的节点.模型中采用改进的股份授权证明机制(Delegate proof of stake, DPOS)实现节点之间的共识.

2) 医疗记录存储结构:自定义一套层级存储结构, 可以高效方便地传播.最后将所有数据的Merkle根锚定到比特币区块链, 实现真正的不可篡改和不可抵赖.

3) 分布式数据库系统(Distributed database system, DDBS):医疗数据文件将加密存储在数据库中, 解决了数据集中存储在各个医疗机构的数据服务器上的问题, 同时也减轻了区块链上的数据存储和高频访问的压力.

本文内容安排如下:第1节介绍基于区块链的医疗领域的研究情况以及相关技术介绍; 第2节详细阐述医疗数据共享模型的各环节; 第3节通过与现有问题的对照以及其他模型的比较进行模型评估.第4节对本文工作的总结和展望.

图 3  医疗数据共享模型结构

随着区块链技术的快速发展, 这一新兴技术会逐步成为热点研究课题.医疗领域区块链的研究已经备受关注, 本文提出的医疗数据共享模型可以帮助现有医疗机构的数据中心进行转型, 以满足越来越多的医疗数据安全存储、共享等需求. MIFS和AFS的设计可以与改进的DPOS机制有效配合, 为实现智慧医疗和医疗大数据构建基础平台.但这一设计在具体实施中会遇到问题和挑战, 需要随着区块链技术的发展不断完善.本文希望可以对未来的研究提供有益的启发.文中涉及到的分布式存储数据库, 实现主要采用LevelDB技术, 设计细节还有待进一步完善.

作者简介

傅群超

北京邮电大学软件学院博士研究生.主要研究方向为医学文本处理.E-mail: fu92811@163.com

王枞    

北京邮电大学软件学院教授.主要研究方向为医疗大数据分析, 智能控制与网络信息安全.E-mail:huhx@sina.com

王新宴    

国家科技基础条件平台人口与健康空军总医院平台中心主任, 空军总医院特诊科主任.主要研究方向为高血压的精准诊断, 健康溯源大队列研究.E-mail:wangxinyan@china.com

薛腾飞    

北京邮电大学软件学院博士研究生.主要研究方向为区块链应用和共识机制.本文通信作者.E-mail:tffeiba@126.com