基于區(qū)塊鏈的醫(yī)療信息共享平臺*

夏維浩，趙振江，曹佳璐，吳俁飛，張麗麗

(河南科技大學(xué)信息工程學(xué)院,河南 洛陽 471023)

0 引言

區(qū)塊鏈的問世,正是因為其作為數(shù)字貨幣的基礎(chǔ)底層技術(shù),才引起了各界的廣泛關(guān)注與重視,但將它與電子貨幣相提并論,無異于將網(wǎng)絡(luò)與“萬維網(wǎng)”相提并論,狹隘了它的含義。從區(qū)塊鏈自身的邏輯來講,其核心功能主要有3個:一是機器信任,二是價值傳遞,三是智能合約。這也是最適合將區(qū)塊鏈應(yīng)用到現(xiàn)實世界中的地方。當(dāng)前,區(qū)塊鏈技術(shù)已經(jīng)和大數(shù)據(jù)、云計算、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能充分融合發(fā)展,其集成應(yīng)用已經(jīng)延伸到金融、司法、醫(yī)療、能源、供應(yīng)鏈管理等多個領(lǐng)域,在新的技術(shù)創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)變革中起著重要作用[1]。

1 系統(tǒng)的總體設(shè)計

本平臺結(jié)合現(xiàn)代Web技術(shù)和以太坊去中心化智能合約技術(shù),旨在建立一個去中心化的醫(yī)療信息權(quán)威數(shù)據(jù)庫,以便患者隨時查詢就診記錄。為實現(xiàn)此目標(biāo),我們利用區(qū)塊鏈技術(shù)創(chuàng)建了一個獨立服務(wù)器,用于存儲涉及用戶隱私的醫(yī)療數(shù)據(jù)和大數(shù)據(jù)哈希值。

在平臺中,醫(yī)生可將患者就診信息存儲于服務(wù)器,患者和醫(yī)生均可隨時訪問,以便為患者提供更好治療。醫(yī)療共享系統(tǒng)采用B/S架構(gòu),根據(jù)用戶業(yè)務(wù)需求,將系統(tǒng)架構(gòu)分為三層設(shè)計。如圖1所示,從系統(tǒng)架構(gòu)圖可見,系統(tǒng)主要包括瀏覽器客戶端、Koa WebServer服務(wù)端和數(shù)據(jù)庫存儲三層。

圖2 設(shè)計的系統(tǒng)總體架構(gòu)

圖3 以太坊核心架構(gòu)

2 開發(fā)工具介紹

醫(yī)盟鏈系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)綜合了諸多尖端開發(fā)工具和技術(shù),以期為用戶呈現(xiàn)一個全方位、穩(wěn)定而高效的區(qū)塊鏈和互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)平臺。本文將深入探討醫(yī)盟鏈系統(tǒng)的技術(shù)架構(gòu)設(shè)計及其各組件的功能與特性。

總的來說,醫(yī)盟鏈系統(tǒng)的技術(shù)架構(gòu)可劃分為兩大部分:頁面互動系統(tǒng)和區(qū)塊鏈互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)系統(tǒng)。

頁面互動系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)人機互動,以實現(xiàn)優(yōu)秀的用戶體驗。 在頁面互動系統(tǒng)中,采用了MVVM(Model-View-ViewModel)架構(gòu)模式實現(xiàn)前后端分離,從而提升開發(fā)效率和代碼可維護(hù)性。在Web前端頁面的開發(fā)與構(gòu)建方面,選擇了Vue3框架,它是一種用于構(gòu)建用戶界面的漸進(jìn)式框架,可協(xié)助開發(fā)者迅速搭建高性能的SPA(單頁應(yīng)用)。Vue3具有輕量、易學(xué)、可擴展的優(yōu)點,能迅速響應(yīng)用戶操作并提供流暢的界面體驗。同時,醫(yī)盟鏈系統(tǒng)在移動端使用了廣受好評的跨平臺解決方案ReactNative。該框架允許開發(fā)者運用Web開發(fā)技術(shù)(例如JavaScript和React)開發(fā)移動應(yīng)用,從而節(jié)省開發(fā)時間并確保在不同平臺(如iOS和Android)上的運行穩(wěn)定性[2]。

在區(qū)塊鏈互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)系統(tǒng)方面,為了與區(qū)塊鏈進(jìn)行互動并承擔(dān)區(qū)塊鏈服務(wù),我們構(gòu)建了互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)。在服務(wù)器端,我們采用了Koa框架,它是一個基于Node.js的輕量級、高效且模塊化的Web框架,可用于搭建高性能的Web服務(wù)。為了實現(xiàn)與以太坊智能合約平臺的連接,我們使用了Web3.js庫,它提供了與Ethereum區(qū)塊鏈的接口,支持智能合約的部署和調(diào)用。

總之,醫(yī)盟鏈系統(tǒng)通過整合多種前沿技術(shù)和開發(fā)工具,成功打造了一個全方位、穩(wěn)定、高效的區(qū)塊鏈+互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)平臺。系統(tǒng)的技術(shù)架構(gòu)包括頁面互動系統(tǒng)和區(qū)塊鏈互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)系統(tǒng),分別負(fù)責(zé)提供卓越的用戶體驗和高效地支持區(qū)塊鏈服務(wù)。利用MVVM架構(gòu)模式、Vue3框架、ReactNative、Koa框架、Web3.js庫、Ganache和Truffle框架等技術(shù),醫(yī)盟鏈系統(tǒng)在前端和后端的開發(fā)方面表現(xiàn)出卓越的性能和便利性。

3 核心技術(shù)

3.1 區(qū)塊鏈

1) 去中心化:區(qū)塊鏈?zhǔn)且环N去中心化的數(shù)據(jù)庫,它可以通過分布式網(wǎng)絡(luò)來連接所有節(jié)點,讓每個節(jié)點都有自己的身份,能夠自由地進(jìn)行數(shù)據(jù)、資產(chǎn)和信息等的交換。區(qū)塊鏈不需要通過第三方機構(gòu)來實現(xiàn)交易,而是可以實現(xiàn)點到點的轉(zhuǎn)帳,即在區(qū)塊鏈上可以完成數(shù)據(jù)、資產(chǎn)和信息的交換[3]。

2) 不可篡改:區(qū)塊鏈?zhǔn)褂昧嗣艽a學(xué)技術(shù)來保護(hù)區(qū)塊鏈上的信息的安全,防止信息被篡改,其主要用到的技術(shù)是密碼學(xué)中的哈希函數(shù)以及非對稱加密。

3) 可追溯性:以區(qū)塊+鏈的方式,將從第一個區(qū)塊起的全部歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行保存,其連接的方式是后一區(qū)塊擁有前一區(qū)塊的HASH值,此外,在區(qū)塊鏈上的任何一條記錄,都可利用鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)進(jìn)行溯源。

4) 用戶隱私保護(hù):區(qū)塊鏈產(chǎn)品使用地址來標(biāo)識用戶,因此無需再以其他方式來標(biāo)識用戶身份的信息。通常,地址會通過公開密鑰算法生成,使用一串如亂碼一般的字符串來實現(xiàn)用戶隱私保護(hù)。這樣,在不泄露用戶隱私的前提下,可以安全地完成各種數(shù)據(jù)信息的存取。

3.2 以太坊智能合約

以太坊的核心架構(gòu)圖包括了以太坊客戶端、以太坊虛擬機、智能合約和以太幣等組件。以太坊客戶端是以太坊系統(tǒng)的實體,包括以太坊節(jié)點和基于以太坊協(xié)議的應(yīng)用程序。以太坊虛擬機是一種可編程的、執(zhí)行智能合約的計算機,它運行在以太坊網(wǎng)絡(luò)中的每一個節(jié)點上,并且由以太坊礦工來驗證交易并打包區(qū)塊。智能合約是一種可自動執(zhí)行的、基于代碼的合約,其規(guī)則和條款在代碼中被預(yù)設(shè)并被納入到以太坊網(wǎng)絡(luò)中,可以實現(xiàn)無需信任第三方的可靠交易和服務(wù)。

以太坊的去中心化特性使得該平臺具有高度的安全性和透明性。所有的交易信息都會被保存在每一個節(jié)點中,并由整個網(wǎng)絡(luò)維護(hù)。這意味著沒有單一的中央服務(wù)器可供攻擊者攻擊,從而阻止了黑客入侵和數(shù)據(jù)篡改的發(fā)生。此外,以太坊的智能合約可以自動執(zhí)行,確保交易的公正性和可信度,同時無需信任第三方。

以太坊的哈希算法確保了數(shù)據(jù)的有效性和穩(wěn)定性。通過將原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為固定長度的數(shù)字,可以輕松地存儲和檢索數(shù)據(jù),并驗證數(shù)據(jù)是否被篡改或偽造。在區(qū)塊鏈中,單個節(jié)點儲存的數(shù)據(jù)是無法修改的,因此無法實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的篡改,從而確保數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性和可用性[4]。

3.3 哈希算法

哈希函數(shù)是一種將一個任意長的輸入轉(zhuǎn)換為一個固定長的輸出的一種算法。哈希函數(shù)具有以下兩個特性:

1) 單向性:即對于一個給定的輸出結(jié)果,不能逆推出輸入。

2) 抗碰撞性:即很難找到兩個不同的輸入,通過哈希計算得出相同的輸出。

基于上述兩個特性,哈希函數(shù)被用來驗證數(shù)據(jù)的完整性和數(shù)字簽名。

3.4 數(shù)據(jù)加密

把使用相同密鑰加密和解密的算法稱作對稱密碼算法,如DES和RC5。這種公開透明、高效的算法在加密和解密過程中只需要一個密鑰,但是密鑰管理負(fù)擔(dān)隨著用戶數(shù)量的增加而加重。相比之下,非對稱加密需要一對公鑰和私鑰,例如RSA和ECC算法。發(fā)送者用其持有的密鑰加密數(shù)據(jù),只有對應(yīng)的私鑰擁有者才能解密密文。這種方式保證了數(shù)據(jù)的安全性。與對稱加密不同,非對稱加密加密和解密所用的是不同的密鑰[5]。圖4展示了對稱加密和非對稱加密發(fā)送數(shù)據(jù)的方式。

圖4 對稱加密和非對稱加密對比圖

圖5 網(wǎng)頁端展示

3.5 數(shù)字簽名

數(shù)字簽名(亦稱公鑰數(shù)字簽名)是僅信息發(fā)送者能產(chǎn)生的一串無法被偽造的數(shù)字序列,這串?dāng)?shù)字序列同時也有效證明了發(fā)送者所發(fā)送信息的真實性。它類似于寫在紙上的傳統(tǒng)物理簽名,但利用了公鑰加密技術(shù)來實現(xiàn),用以驗證數(shù)字信息的方法。一套數(shù)字簽名通常包括兩種互補操作,一個用于簽名,另一個用于驗證。數(shù)字簽名涉及非對稱密鑰加密技術(shù)和數(shù)字摘要技術(shù)的應(yīng)用。

4 成果展示

5 結(jié)語

本平臺涉及區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)技術(shù)領(lǐng)域,尤其是一種將區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫技術(shù)相結(jié)合的存儲方式。發(fā)明主要是將個人醫(yī)療記錄保存在區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)節(jié)點上,把原本掌握在各個醫(yī)療結(jié)構(gòu)手上的數(shù)據(jù)進(jìn)行更安全、可信的數(shù)字化,實現(xiàn)信息的共享。