基于医院医疗区块链平台的EMR设计与实现

研究报告

基于医院医疗区块链平台的EMR设计与实现李麟1，方芳，冶金明（海军特勤疗养中心，山东 青岛，266071）摘要：针对电子病历（EMR）在安全策略和访问控制模型方面结构不一致的问题，提出了一种基于区块链的智能合约医疗平台来实现EMR的安全管理。该方法为患者提供了全面、不变的日志，并可以方便地跨医院内不同部门访问其医疗信息。经实际应用，建立了许可网络，并进行了一系列实验测试，验证了所设计平台的可用性和有效性。通过各种性能指标进行了基准研究，所设计的平台在各个方面都具有极大的潜力，可以加速分散式数字医疗生态系统的发展。关键词： 卫生保健；分布式账本；医疗区块链；智能合约；EMR中图分类号：R197.3，TP311.13 文献标识码：A DOI: 10.11967/2020180408EMR Design and Implementation Based on Hospital Medical Block Chain Platform LI Lin1, FANG Fang, YE Jin-ming(Qingdao Special Services Recuperation Center of PLA Information management section,Qingdao 266071, China)Abstract: Advances in information and communication technology are driving major changes in electronic health research and industry. In the case of personal medical data sharing, data security and convenience are key requirements for electronic medical record (EMR) system interaction and collaboration. However, it is difficult for current systems to meet these requirements because of their inconsistent structure in terms of security policies and access control models. To solve the above problems, an intelligent contract medical platform based on block chain is proposed to realize EMR security management. This method provides a comprehensive and constant log for patients, and can easily access their medical information across different departments of the hospital.Taking a hospital as an example, a license network was established and a series of experimental tests were conducted to verify the usability and effectiveness of the designed platform.The benchmarking study through various performance indicators shows that the designed platform has great potential in all aspects and can accelerate the development of decentralized digital medical ecosystem.Keywords: health care;Distributed ledger medical blockchain;Smart contracts;EMR[CLC Number] R197.3,TP311.13 [Document Code] A DOI: 10.11967/2020180408引言随着科技的发展，从远程访问医疗记录，到来自不同患者的不同可穿戴传感器的实时数据交换无不体现电子健康技术的重要性[1-3]。据报道，电子病历（EMR）的使用已急剧增加[4-5]，2008年仅9%的中国公立医院使用了电子病历，到2018年已达到96%。通常，EMR是患者健康信息的数字集合，包括文本文档、图像和视频数据。传统的EMR系统用来精确地存储数据和捕捉患者的状作者介绍：李麟（1979~）,男,山东龙口人,主管技师,主要从事计算机网络、数据库设计与医疗信息管理等方面工作,Email：jiashuowenshuo@163.com59Copyright©博看网 www.bookan.com.cn. All Rights Reserved.研究报告

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态。然而，不同的供应商和医疗系统对EMR的内容或使用有不同的要求，这严重阻碍了医疗数据的共享[6-8]，因此跨院的EMR共享会出现法律法规操作性问题[9]。缺乏协调的数据管理和交换，导致个人医疗数据的碎片化、分散化。在多年的高监管压力下，医疗体系改革的创新进展缓慢。如今，数据科学和个性化服务促使患者参与其医疗保健中，因此迫切需要进行此类创新。

区块链技术为解决医疗保健中的这些问题提供了技术创新的广阔前景。简言之，区块链是一个经过认证的、分散的平台，如传统的公共分类账一样在区块中保存一系列交易日志，其中采用共识驱动的方法通过分类账来在多个不受信任的实体之间达成协议。这将允许医疗生态系统中的每个参与者（例如患者、医师、药师、保险公司）提交其身份信息，以在区块链上获得授权。授予了给定的权限，每个参与者都可以访问分类帐和已经以数字格式收集的记录。当前的区块链本质上是透明的平台，使用智能合约在终端用户之间进行交互，通过安全的数字身份实现，并且每个网络参与者都可以访问。区块链技术可以保证医院、保险公司和任何其他研究中心之间的数据共享和透明度，为所有网络成员交换高度敏感的医疗数据提供规范的机制。尽管拥有本地记录系统，但任何参与区块链联盟的成员医疗保健组织都能够访问共享的医疗信息。传统的医疗机构可以从区块链技术的许多方面受益，例如，通过数据共享提供的治疗和诊断，以及通过就医记录对患者进行随访。

现有的基于区块链的医疗系统研究集中在分布式账本、分散式应用程序（DApp）、智能合约开发和无许可网络

[10-12]

除了区块链之外，还必须设计一个额外的访问控制策略，以根据用户身份保护内容的隐私性。在医疗区块链网络中，必须遵循健康数据所有权和新兴的EMR共享基础设施的治理[13-15]。本文提出了一个医疗区块链平台，个人健康数据可以存储在一个安全的、许可的链上快速共享。以期该区块链平台朝着Web驱动的范式发展，为提高网络资源的管理提供参考。

1 、EMR完整性管理的医疗区块链平台设计

1.1 医疗区块链平台的系统架构

图1给出了体系结构的图形化描述，其中医疗区块链保存了所有医疗数据完整的历史记录，涵盖了EMR、访问、处方、账单和IoT数据，这些数据将永远跟随单个用户。医学数据库是一个的数据存储库，被称为存储区块链，可用于各种分析，而不仅限于医院使用，还可用于健康保险以及疾病预防和研究中。更准确地说，医疗区块链网络由可信的验证对等点组成，每个对等点持有网络的一份分类帐副本，以保持分布式账本的一致性。账本包括一个区块链和一个存储所有医疗数据的数据库，区块链以块的形式存储不变的顺序交易记录。区块链是一个事务日志，记录所有在数据库中的更改，而数据库是一个脱链状态的数据库，它保存一组数据的当前值，例如患者的最新EMR。与物联网相连的设备使医疗设备能够持续传输数据，这些数据在数据分析中很有用，并最终提供各种服务，例如预防护理和重症监护。医疗保健提供商可以通过即时共享物联网数据来更快、更准确地帮助患者。用户组包含具有不同角色的用户，例如，能够管理医院内所有资源的管理员，医生可以检查患者的所有信息并开出治疗处方；药剂师可以指导并建议使用处方药的方法；患者可以通过保存其信息的任何网络对等点访问其医疗数据。此外，允许患者设置其医疗信息对网络内任何其他医生的访问权限，

。大多数研究都集中在无许

可网络上，参与者身份是匿名的，因此完全不可信。但是，对于患者相关数据高度敏感的用例，当前的无许可区块链技术很难满足这一要求。数据透明性可能会导致医疗数据共享解决方案中的关键问题，在这种情况下，需要一种保密策略，即只允许一定数量的用户使用医疗数据。因此，

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这是通过在智能合约中指定访问控制策略来实现的，该策略将部署到整个区块链网络中，以确保患者的隐私和数据安全。最终用户与医疗区块链之间的所有交互均使用数字签名进行加密，以确保系统的安全性。

用其熟悉的编程语言，而不必花时间学习一门新语言。如图2所示，智能合约包含允许用户与分类帐交互的各种功能。例如，用户可以通过向智能合约提交来创建、更新和查询其个人EMR信息。在智能合约上运行的应用程序接收，并运行各种类型的查询和更新，然后将事物追加到块中并更新分类账状态。最后，将分类帐更新结果作为响应返回给应用程序。

图1 医疗区块链虚拟场景

Fig. 1 virtual scene of medical blockchain

本文搭建的医疗区块链平台不仅包含技术基础架构，还包括一个用户服务框架，该框架将分布式账本和智能合约作为服务公开给应用程序。终端用户(病人、医生、护士、管理员等)可以通过应用程序向区块链网络提交建议，以调用区块链网络提供的预订、EMR、支付和身份信息等服务。为了进行隐私数据的传输，可以通过子网将整个网络分成不同的私有网络，从而允许两个或多个指定部门之间进行通信。图2 采用智能合约的分类账事务

Fig. 2 ledger transactions with smart contracts

1.3医疗区块链平台的交易流程

在区块链网络上进行交易操作期间发生的交易机制，如图4所示。客户端应用程序必须具有由用户管理器颁发的凭据，以便获得提交交易的授权许可。用户管理器拥有用户ID，并对要加入网络的客户端进行身份验证。网络和客户端应用程序之间的通信通过应用程序软件开发工具包(SDK)进行。对等点可以是转让者或提交者，转让者可以模拟并签署交易建议，对批准或拒绝批准做出响应，而提交者可以在将交易块写入分类账之前验证交易结果。转让方和提交对等点之间存在重叠，因为转让方是一种特殊类型的提交人，他们必须持有智能合约。每个转让对等点通过在自己的模拟环境中调用智能合约来接收并执行交易建议，而无需更新分类帐，转让对等点将捕获一组读和写数据，称为RW集。然后，这些RW集由转让对等点签名并返回到客户端应用程序，客户端应用程序打包已签名的交易，该交易是对模拟交易结果的响应，然后将该交易以及RW集提交给共识管理器。共识管理器将这些数据排序为一个块，并交付给所有提交者。1.2 医疗区块链平台中的智能合约智能合约作为一种受信任的分布式应用程序，从区块链和对等点之间的基本共识中获得信任。大多数基于智能合约的区块链平台，从无许可的平台已发展为许可的平台。原则上，这些平台中使用的智能合约是以非标准或特定于域的语言编写的，因此可以消除不确定性操作。区块链开发人员必须学习一种新语言才能编写智能合约，这可能会导致编码中的各种问题。为了解决这些问题，将智能合约部署到指定的对等点子集，而不是部署到所有对等点，因此，只需要由一组对等点执行。这种方法还支持并行执行，可以显著提高系统的整体性能和规模。此外，使用标准语言编写智能合约，这样开发人员就可以使61Copyright©博看网 www.bookan.com.cn. All Rights Reserved.研究报告

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此。通道1（C1）根据D1和D2建立的通道策略1（CP1）中指定的策略规则进行管理。它受对等点1（P1）和对等点2（P2）的控制，托管智能合约1（SC1）和分类帐1（L1）。同样，通道2（C2）受D3和D4建立的通道策略2（CP2）支配，它由对等点3（P3）和对等点4（P4）管理，并托管了智能合约2（SC2）和分类帐2（L2）。服务器充当网络对等点管理器，可以创建通道或允许其他

图4医疗区块链平台交易操作流程

Fig. 4 transaction operation flow of medical blockchain

platform

对等点加入特定通道；还支持与通道C1和C2的通信，以便将事务按每个通道的块排序。客户端应用程序A1、A2可以使用C1连接到其他网络实体，而允许A3、A4在C2上执行此操作。每个部门都与一个永久证书颁发机构（CA）相关联，例如，属于部门D1的客户端应用程序A1由证书颁发机构CA1颁发。CA向网络成员部门及其用户颁发基于公钥基础结构（PKI）的证书。

2、医疗区块链中EMR完整性管理的设计与实现

2.1 开发环境

实现医疗区块链网络的操作系统是具有IntelCorei5-8500@3.00GHz处理器和8GB内存的UbuntuLinuxv18.04.2。Docker引擎（v18.06.1-ce，Docker）提供了docker运行环境，而docker-compose（v1.13.0，Docker）提供集成开发环境(IDE)，用于在虚拟机中配置Docker映像和容器。实现医疗区块链客户端应用程序的开发使用了各种web技术，如HTML、层叠样式表(CSS)和JavaScript来构建web应用程序的主干。

Hyperledger Fabric是一个由Linux基金会托管的开源区块链框架，安装了Node和Python来实现客户端SDK和智能合约。 通过该技术可以实现共识服务等组件的即插即用功能，它使用Container技术构成系统应用逻辑的智能合约。由于Hyperledger Fabric是企业的开源框架，因此本文使用该技术进行医疗区块链案例研究的验证。

2.3 医疗区块链平台的执行流程

图5所示为用户身份注册和登记，这是用户访问系统之前必不可少的阶段。为了获得用户的身份，网络管理员将注册请求提交给注册CA，并在注册过程中获得的注册ID。作为响应，CA通过了注册证书（ECert）以及公开密钥。ECert用于请求交易证书（TCert），而交易CA将TCert与用于签署交易的私钥一起传递。患者可以通过客户端应用程序输入EMR的信息，然后客户端使用POST方法生成交易建议请求，以在对等点上调用智能合约函数，然后执行智能合约以产生交易结果，并将这些值的集合传递回客户端。客户端应用程序根据背书策略验证响应，并按通道及时间顺序排序，同时为每个通道创建交易块。然后，将交易块交付给通道上的所有对等点进行验证。每个对等点将块附加到链上，并将EMR记录保存到当前状态数据库。最后，向客户端应用程序发出一个事件，通知患者在区块链中创建了EMR。若要与特定医生共享EMR，患者应设置医生ID，以指定可以通过客户端应用程序访问其EMR记录的医生。其余事务处理过程与EMR生成事务处理类似。最后，发出一个事件以通知患者该EMR已与某位医生共享，并且该事物信息已附加到区块链

2.2 医疗区块链网络拓扑

医疗区块链网络拓扑包括外科、牙科、神经内科、神经外科四个科室(分别表示为D1、D2、D3、D4)，这四个部门共同签署了网络协议，它们将建立和初始化一个区块链网络。D1和D2在通道内可以进行私人通信，D3和D4也是如

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上。增加的程度相对较小，可以忽略不计，对用户体验没有直接影响。

图6 查询事务执行的性能分析

Fig. 6 performance analysis of query transaction

execution

图5 医疗区块链的用户身份注册和登记

Fig.5 user identity registration and registration of medical

blockchain

类似地，将相同的方法应用于第二种情况，即执行调用事务所花费的时间，评估结果如图7所示。从图7中可以看出，这个案例在执行事务上花费的时间比第一个案例多很多。但是，响应图是稳定的，如果没有网络拥塞发生，则可以评估总体事务的执行能力。通常，挖掘一个区块链比特币需要近10 min ，预计一笔交易平均需要一个小时左右，因为在一笔交易完成之前，至少需要6次确认。对于Ethereum，挖掘一个区块的平均时间大约为15 s，但是，时间成本在网络环境中有很大的差异，提出的区块链网络的平均执行时间约为3 s。在医生共享EMR的执行过程中，医生可以使用GET方法请求API端点，以使用患者ID从状态数据库中查询EMR记录。由于智能合约仅查询分类账，因此平台不会将交易提交至共识服务器，因为所有对等点都保留分类账的本地副本，因此无需达成共识流程，而是立即返回EMR的查询结果。3、 性能评估与比较在实验分析中，原型区块链网络由一个定序节点、四个CA和四个部门(每个部门有两个对等点)组成。此外，网络被分为两个通道（通道1和通道2），其中智能合约分别部署在这两个通道中。通道是允许数据隔离和机密性的子网，换言之，仅允许通道中的对等点访问跨通道共享的特定分类帐。通过评估区块链网络中的交易往返时间进行了第一个实验测试。往返时间是发送事务请求所花费的时间加上Web客户端接收到确认所需的时间，两者都是通过改变用户数量来实现的。第一种情况为发送事务请求所花费的时间，结果如图6所示。向系统提供了4组用户，分别为50、250、500和1000，每组用户允许在随机选择的系统资源利用率水平上向区块链网络发起10次查询请求。系统记录了查询EMR的最短时间、平均时间和最大时间（以ms为单位）。很明显，随着用户请求的增加，往返时间变慢。但是，这种图7 调用事务执行的性能分析Fig. 7 performance analysis of call transaction execution然而，由于往返时间定性分析的说服力不足以评估区块链网络的性能，因此需要对可测量的性能进行比较分析。具体来说，根据网络环境的不同，往返时间可能会有很大差异，可以使用专业的基准工具Hyper ledger Caliper来评估区块链网络，其允许用户使用一组指标来衡量特定区块链实施的性能。对于此分析，进行了五轮测试，并将测试结果显示在表1中。前三轮试验用于测试调63Copyright©博看网 www.bookan.com.cn. All Rights Reserved.研究报告

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用事务的网络过载，后两轮试验用于查询事务。每秒事物数（tps）是指每秒由区块链网络执行的事物数量，即吞吐量。

表1 医学区块链网络性能分析

Table 1 performance analysis of medical blockchain network

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提出了一种基于区块链技术的分布式电子病历处理平台的设计与实现方法，旨在为医院内的患者和医疗保健提供者提供安全、透明和有意义的医疗帮助，通过使用Hyperledger Fabric实施了医疗区块链案例研究作为验证。结果表明，用于执行实验测试的测试指标有稳定的级别，可实现有效的事务吞吐量和较低的资源利用率。尽管区块链和医疗保健研究的共同发展仍处于起步阶段，但这项工作的目标是为构建基于区块链的医疗保健应用程序，使患者受益，为医疗保健行业的发展提供一种可行的方法。

参考文献

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