基于区块链的健康医疗数据隐私保护

孙 琪，王 磊，杨 龙，程沥莹

（信息产业信息安全测评中心，北京 100083）

随着大数据环境、云环境等新兴模式的构建，健康医疗数据安全迎来了更大的挑战。尤其是在“互联网+”强势进入医疗行业后，互联网医院遍地开花[1]，使得原本的医疗内网封闭环境被打破，健康医疗数据在开放性、共享性更强的互联网中传输，数据安全面临的威胁不管从种类上还是从数量上都有了明显的增幅。互联网医院的推广和发展使得医疗行业的信息化发展步入了2.0阶段[2]，这既是机遇，又是挑战，一方面，互联网医院的便捷能够极大地提高医护人员的工作效率、患者就诊的体验与满意度；
另一方面，互联网医院业务对医疗行业的信息化水平和安全防护水平都提出了更高的要求。

医疗行业关系到重要民生、重大公共利益，在《个人信息保护法》中将“医疗健康”信息定义为敏感个人信息。

1.1 健康医疗数据

在GB/T 39725—2020《信息安全技术 健康医疗数据安全指南》中[3]，“个人健康医疗数据”被定义为“单独或者与其他信息结合后能够识别特定自然人或者反映特定自然人生理或心理健康的相关电子数据”。健康医疗数据不同于一般的重要业务数据，其具有很高的准确度和社会关系属性，医疗行业由于涉及了大量就医患者的重要用户个人信息，往往成为攻击者的首选攻击对象。而且，健康医疗数据除了患者的个人信息，还有很多敏感的数据，包括诊疗数据、检验数据、处方数据、医嘱数据等。

1.2 健康医疗数据安全事件

医疗行业内的数据泄露事故屡见不鲜[4]。2017年5月，20万条新生婴儿信息从某市疾病预防控制中心泄露出来，这些信息被用于电话推销新生儿保健品；
2020年4月，青岛胶州中心医院6千余人就诊名单泄露，严重影响就诊人员的个人生活。

数据泄露对患者的影响非常大，可能会导致被医药、广告、中介、保险等利益方骚扰，患者的健康信息泄露可能会导致患者个人及家庭遭受歧视。群体性的健康医疗数据泄露就更加可怕，容易造成社会舆论，并且容易引起社会的恐慌。

在医疗行业有一种普遍的现象，患者自己对自己的健康数据并不清楚，医院虽然拥有这些诊疗及健康数据，但并未对数据加以研究[5]。如何在保证数据安全的前提下，尽量获取健康医疗数据的价值、建立合理的数据共享和研究机制，将会是医疗行业的下一个研究方向。如果能够实现健康医疗数据的隐私保护，就能更好地实现数据共享，最大限度地利用健康医疗数据的价值，推动医疗行业的进一步发展。

2.1 区块链概念

区块链从本质上是一个共享数据库，区块链技术能够实现数据的不可伪造性、可追溯性、公开透明性等。区块链的核心技术包括分布式账本、非对称加密、共识机制、智能合约等。一般说来，区块链系统由数据层、网络层、共识层、激励层、合约层和应用层组成。

2.2 区块链技术在医疗行业的应用前景

区块链技术应用在医疗行业，主要可以解决数据共享、隐私保护等问题。每个省市的医保系统都是独立的，在不同的城市看病就需要不断重复建档的操作流程，增加了患者的负担。将区块链技术引入医疗体系中，能更方便患者就医，也有利于医生了解患者的既往病史。同时，区块链能够保护患者的隐私数据。区块链电子病历能够将患者的个人信息、诊疗记录加密存放在区块链中，使得医疗记录安全、可信，能够保证数据的有效性、完整性和安全性，可以实现医疗数据的去标识化共享。

2017年中国第一个基于医疗场景实施的区块链应用——常州市医联体区块链开始进行试点[6]。经过一个月的试点，通过常州市医联体区块链，更好地实现了分级诊疗就医体验：患者就近在卫生院体检，需要转诊的患者由社区医生通过区块链实现病历向上级医院的授权和流转。而上级医院的医生，在被授权后可迅速了解病人的过往病史和体检信息，病人不需要重复做不必要的基础检查，就可以享受医联体内各级医生的“管家式”全程医疗服务。而且常州市医联体区块链具有专用的数字资产协议和数据分级体系，区块链内的数据密文存储、密文传输，流程中的所有操作均可以被审计。可见，将区块链技术应用到医疗行业中，能够实现医疗场景有价值信息的安全、便捷、可控的流动。

3.1 区块链的区块结构

区块链中包含N个按照时间顺序排列的区块节点，每个区块节点的区块结构分为区块头和区块体，区块头中有指向前一个区块的指针，通过指针将所有区块连接起来形成一个链。区块头中包含前一区块节点的散列值、区块序列、时间戳、数字签名等区块的特征信息，区块体中包含健康医疗数据以及相关的审计日志。如图1所示。

图1 区块结构

每个区块节点通过前一区块节点的散列值进行验证，区块序列则是代表该节点自身在区块链中的位置；
时间戳是唯一可信的时间证明，代表了该区块节点中的健康医疗数据的发生时间，整个区块链通过时间序列顺序组织；
数字签名则能够验证健康医疗数据的完整性，并能够确定该数据的责任主体。区块链的整体架构图如图2所示。

图2 区块链整体架构图

每个患者的医疗数据形成一条区块链，按照时间顺序排列，健康医疗数据以加密数据文件的形式进行存储，数据均存储在数据层。数据的传输、使用等过程均通过非对称加密算法来保证数据的保密性，每个患者拥有自己的公钥和私钥。医疗机构生成医疗记录，并将医疗记录数据上传至区块链。医院及上层管理机构保管患者公钥，并使用患者公钥将患者的医疗健康数据进行加密，患者通过私钥访问自己的健康医疗数据。健康医疗数据的所有权归患者所有，患者可以选择是否将自己所有的数据共享给其他用户、机构使用，可以由患者自己来分配不同用户对数据的访问权限。在使用过程中，可以通过验证数字签名来判断区块节点是否被篡改过。即使最后数据销毁，仍可以通过审计日志来确定数据流程的流转过程是否得到授权。

3.2 基于区块链技术的医疗数据存储

（1）分布式账本。区块链中包含的N个区块节点之间共享、同步记录的健康医疗数据，攻击者想要篡改数据，需要在短时间内实现至少一半的区块节点的数据修改，计算量非常大，实现起来非常困难。并且区块链中的每个区块节点通过时间顺序串联起来，修改区块链中的一个区块节点就要同时修改其上一个区块节点，这就需要先找到上一个区块节点并进行同步修改操作，直到修改完所有的前序区块节点中的相应信息，这也使得数据篡改的难度激增。

（2）密码算法。区块链中使用了大量的密码算法，包括对称加密算法、非对称加密算法、散列算法等，这些密码算法使得数据的存储、传输、共享过程变得更安全。区块链中使用散列算法对每个区块节点进行加密，计算其散列值，如图3所示。如果出现数据丢失的情况会很容易被发现，而且随着密码技术的发展，我国也已经提出了一系列的国密算法，在算法性能和安全性上都得到了提升，为实现健康医疗数据的自主可控提供了新的方法。

图3 散列算法加密流程

3.3 基于区块链技术的医疗数据共享

当不同医院、不同科室或不同医院需要对健康医疗数据进行访问时，就需要实现数据的共享。传统模式下，健康医疗数据的共享是通过数据访问控制机制实现的，需要花费大量的时间和硬件资源进行权限的分配、检查和校验。

目前，健康医疗数据的共享依赖于医疗行业的管理机制。医院之间可以进行数据的共享，通过数据接口实现数据的双向共享。

本文在研究医疗行业健康医疗数据共享需求的基础上，建立一个完整的信息化健康医疗数据共享模型。医院等医疗机构作为数据中心，主要负责数据的存储，并通过接口将部分数据共享给上级机构、通过接口实现与下属医疗机构及合作医疗机构的数据双向共享。考虑到数据共享需求，在数据中心区块链模型的基础上建立二级区块链模型，以机构下的具体客户端作为节点，保证其与数据中心之间的数据共享。

3.4 基于区块链技术的医疗数据溯源

健康医疗数据溯源主要是为了实现对数据的监管，从数据的采集、传输、存储、共享、销毁等数据全生命周期出发，对数据的每一个操作进行审计。通过数据溯源，可以保证数据的真实性、不可抵赖性，这也增强了数据共享机制的可行性。

通过本文中所设计的区块链模型，能够对机构来源、诊疗数据、患者行为数据、药品数据等情况进行溯源。对机构来源进行溯源是对健康医疗数据的来源进行查询追溯；
对诊疗数据进行溯源是对患者的疾病史、症状、医嘱情况、检查检验结果数据等进行溯源，通过诊疗数据对患者情况进行管理，通过审计日志记录诊疗数据的上传、访问、使用等情况，保证对数据的操作均有据可循；
对患者行为数据进行溯源是对患者的体检数据、可穿戴设备采集的数据等与患者行为有关的数据进行的溯源，这部分数据是动态变化的，可以通过这些数据进行患者行为跟踪以及趋势、状态等的动态分析；
对药品数据进行溯源是对患者用药情况进行监管、对用药效果进行分析，从而实现对药品的流通情况进行掌控。

随着医疗大数据、互联网医院等技术的应用，区块链技术将为医疗健康数据的安全保护带来新的机遇和挑战。医疗行业和新兴计算技术的结合将会颠覆传统医疗行业的一些流程和技术措施。本文综合考虑数据存储、数据共享、数据溯源等数据生命周期的关键环节，基于区块链技术设计了健康医疗数据隐私保护的模型，以期在保证数据安全的同时，增强诊疗数据的共享程度，进一步促进医疗行业的发展。■

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