CN114547210B - 一种基于双区块链的医疗数据安全共享系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于双区块链的医疗数据安全共享系统，涉及物联网技术领域，包括本地层、IPFS层、双区块链存证层、应用层和保障层，IPFS层包括第一IPFS模块和第二IPFS模块，所述双区块链存证层包括用户链和交易链，保障层包括授权服务机构。本发明在用户链和交易链的智能合约中，均部署新型的基于属性的访问控制策略，确保就诊病历和医疗数据在共享时只有满足访问权限的访问者才能获取，在提供细粒度的数据访问的同时，保证数据的安全高效共享。

Description

一种基于双区块链的医疗数据安全共享系统

技术领域

本发明涉及物联网技术领域，特别是一种基于双区块链的医疗数据安全共享系统。

背景技术

目前，国内以医院为主的传统医疗数据管理系统，医疗数据中心化现象严重并且各医院之间消息闭塞，无法在共享数据的同时保证数据的隐私性、完整性和安全性。我国的医疗数据主要由医院管理，并且政策对重要信息（例如医疗数据）的传输和共享有严格的限制和规定。医疗数据分散在各个医院中，并且不同医院的数据标准不统一，导致各机构之间医疗信息系统的互操作性较低。现有医疗数据存在难以在各方之间实现安全共享的问题。另外，除了患者要求转移和查看其个人就诊病历，原则上，不允许在医院之外转移和共享就诊病历。基于这种背景下，不仅使得患者跨院治病难，而且导致医疗数据的交换和共享非常困难，严重阻碍其有效性，不能充分发挥医疗数据的作用。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的不足而提供一种基于双区块链的医疗数据安全共享系统，本发明能够提高医疗数据的获取效率，最大化地开发医疗数据的功能。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

根据本发明提出的一种基于双区块链的医疗数据安全共享系统，包括本地层、IPFS层、双区块链存证层、应用层和保障层，IPFS层包括第一IPFS模块和第二IPFS 模块，所述双区块链存证层包括用户链和交易链，保障层包括授权服务机构；其中，

本地层，用于存储医疗数据和患者每次就诊的就诊病历，医疗数据是指不包括患者信息的就诊病历；其中，患者每次就诊的就诊病历传输给第一IPFS模块，医疗数据传输给第二IPFS模块，医疗数据和就诊病历输出至授权服务机构；

第一IPFS模块，用于存储来自本地层的患者每次就诊的就诊病历；

第二IPFS 模块，用于存储来自本地层的医疗数据；

应用层，用于患者通过其实现对第一IPFS模块内每次就诊病历的访问；

访问者通过其实现对第二IPFS模块内医疗数据的访问；当访问者访问第二IPFS模块时，通过应用层将一个二元组请求的消息传输至第二IPFS模块，第二IPFS模块调用交易链的第二智能合约，根据二元组请求的消息获得访问者的属性组以及所需医疗数据的属性组，并传输到第二智能合约中的裁决权限点；二元组请求的消息包括访问者的ID和所需医疗数据的ID；

授权服务机构，用于根据患者的身份信息授予患者唯一用作标识的ID以及患者的属性，患者的属性为患者的ID；授予就诊病历唯一用作标识的ID以及就诊病历的属性，就诊病历的属性为该病历所属患者的ID；将患者的属性、就诊病历的属性传输至第一智能合约；

用于根据访问者的身份信息授予访问者唯一用作标识的ID以及访问者的属性组，访问者的属性组是根据访问者的身份信息获得的，访问者的属性组包括访问者的多个属性；授予医疗数据唯一用作标识的ID以及医疗数据的属性组，医疗数据的属性组是根据医疗数据获得的，医疗数据的属性组包括医疗数据的多个属性；将访问者的属性组、医疗数据的属性组传输至第二智能合约；

用户链，用于部署第一智能合约，第一智能合约包括患者的属性组、就诊病历的属性组以及第一访问控制策略；第一访问控制策略：当患者的ID与患者将访问的就诊病历的属性相同时，则判定患者访问该就诊病历；

交易链，用于部署第二智能合约，第二智能合约中存储访问者的属性组、医疗数据的属性组、第二访问控制策略以及权限裁决点；其中，访问者包括医院医护人员和科研机构工作人员和公共服务平台员工；权限裁决点根据第二访问控制策略对访问者的访问请求进行决策，并将决策结果传输至第二IPFS模块；若决策结果为不允许访问，则第二IPFS 模块不能通过应用层向访问者输出医疗数据，若决策结果为允许访问，则第二IPFS 模块通过应用层向访问者输出医疗数据；

第二访问控制策略是指：预先对医疗数据根据其隐私程度进行属性安全分级的划分，根据每个属性安全分级预设访问者的属性。

作为本发明所述的一种基于双区块链的医疗数据安全共享系统进一步优化方案，访问者的属性组包括四个属性，分别为访问者角色att ₁、访问者所属科室att ₂、操作类型att ₃和操作目的att ₄；其中，访问者角色att ₁包括主任医师或主治医生或护士或科研机构工作人员或公共服务平台员工；访问者所属科室att ₂包括急诊科或内科或外科或产科或儿科或肿瘤科或传染科或药剂科或化验科或X光室；操作类型att ₃包括读取或打印；操作目的att ₄包括医疗或研究或教学。

作为本发明所述的一种基于双区块链的医疗数据安全共享系统进一步优化方案，医疗数据的属性组包括医疗数据类型att ₅和医疗数据所属科室att ₆，医疗数据类型att ₅包括门诊病历或住院病历或护理病历或医嘱；医疗数据所属科室att ₆包括急诊科或内科或外科或产科或儿科或肿瘤科或传染科或药剂科或化验科或X光室。

作为本发明所述的一种基于双区块链的医疗数据安全共享系统进一步优化方案，针对医疗数据隐私程度进行属性安全分级的划分，将医疗数据中的医疗数据类型为门诊病历和住院病历时，医疗数据归为等级1；将医疗数据中的医疗数据类型为护理病历时，医疗数据归为等级2；将医疗数据中的医疗数据类型为医嘱时，医疗数据归为等级3；在访问者角色att ₁中，存在主任医师和主治医生和护士和科研机构工作人员以及公共服务平台员工这五类访问者角色，规定主任医师和主治医生访问等级1和等级2和等级3的医疗数据；护士访问等级2和等级3的医疗数据；科研机构工作人员以及公共服务平台员工只能访问等级3的医疗数据。

作为本发明所述的一种基于双区块链的医疗数据安全共享系统进一步优化方案，第二访问控制策略生成步骤如下：

当医疗数据为等级1时，访问者的四个属性均不为空，访问者角色att ₁为主任医师或主治医生，访问者所属科室att ₂为急诊科或内科或外科或产科或儿科或肿瘤科或传染科或药剂科或化验科或X光室，操作类型att ₃为读取或打印，操作目的att ₄为医疗或研究或教学，且满足访问者所属科室att ₂与医疗数据所属科室att ₆的属性相同；

当医疗数据为等级2时，访问者的四个属性均不为空，访问者角色att ₁为主任医师或主治医生或护士，访问者所属科室 att ₂为急诊科或内科或外科或产科或儿科或肿瘤科或传染科或药剂科或化验科或X光室，操作类型att ₃为读取或打印，操作目的att ₄为医疗或研究或教学；

当医疗数据为等级3时，省去访问者所属科室 att ₂，访问者角色att ₁为主任医师或主治医生或护士或科研机构工作人员或公共服务平台员工，操作类型att ₃为读取或打印，操作目的att ₄为医疗或研究或教学。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

（1）本发明摒弃传统医疗数据管理系统所采用的中心化数据库，将本地层的数据存储在去中心化的分布式数据库IPFS中，与传统的中心数据库相比，不仅数据查找更加简单，而且不会出现一处损坏导致全部数据丢失的情况，提升了数据存储的高效性和安全性；

（2）本发明将大量元数据存储在IPFS分布式数据库中，区块链中仅存储访客记录和智能合约，通过此方式使得区块链网络与IPFS相关联，从而减轻区块链的存储负担；

（3）本发明采用“用户链+交易链”这一双链来代替传统单链，患者通过用户层向第一IPFS模块访问就诊病历的记录添加到用户链中，医院医护人员、科研机构工作人员和公共服务平台员工通过用户层向第二IPFS模块访问医疗数据的记录添加到交易链中。将访客记录分别存储在不同的链上，设计其独特的区块结构和功能，实现了就诊病历和医疗数据的安全访问；

（4）本发明在用户链和交易链的智能合约中，均部署新型的基于属性的访问控制策略，确保就诊病历和医疗数据在共享时只有满足访问权限的访问者才能获取，在提供细粒度的数据访问的同时，保证数据的安全高效共享。

附图说明

图1为本发明中一种基于双区块链的医疗数据安全共享系统的架构示意图；

图2为本发明中医生向患者发送数据采用的代理重加密算法的流程图；

图3为本发明中本地层向第一IPFS模块和第二IPFS模块传输数据流程图；

图4为本发明中访问者访问第二IPFS模块流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例对本发明进行详细描述。

如图1所示，本发明提出了一种基于双区块链的医疗数据安全共享系统，包括本地层、IPFS层、双区块链存证层、应用层和保障层，所述本地层存储各医院医疗数据及患者就诊病历；所述IPFS层包括第一IPFS模块和第二IPFS 模块，分别用于存储来自本地层所有患者的就诊病历以及医院的医疗数据；所述双区块链存证层包括用户链和交易链，用户链用于部署第一智能合约，第一智能合约包括患者的属性组、就诊病历的属性组以及第一访问控制策略，用于部署第二智能合约，第二智能合约中存储访问者的属性组、医疗数据的属性组、第二访问控制策略以及权限裁决点；患者通过应用层实现对第一IPFS模块内每次就诊病历的访问，访问者通过应用层实现对第二IPFS模块内医疗数据的访问；所述保障层包括密钥管理中心、授权服务机构及数据监管者。

所述本地层中医生向患者发送就诊病历，采用的代理重加密算法的流程如图2所示，医生首先利用AES算法加密医疗数据生成密文S1，其次利用自己的公钥对AES的密钥加密生成密文S2，再用患者的公钥和自己的私钥生成重加密的密钥K，上述步骤完成后，医生将密文S1、S2和K发送给服务器，服务器先用K对密文S2进行代理重加密生成密文S3，然后将密文S1和S3发送给患者，患者用自己的私钥解密S3得到对称密钥，并对密文S1解密得到医生想与其共享的就诊病历，该技术能够确保只有共享双方能够获取完整的元数据，第三方无法窃取及篡改，确保链下数据共享的安全性。

图3为本地层向第一IPFS模块和第二IPFS模块传输数据流程图。患者去医院就诊后，医生采用代理重加密技术，将就诊病历发送给患者，患者将就诊病历上传到第一IPFS模块；医生为患者诊断后，将删除患者个人信息的医疗数据上传到第二IPFS模块。

图4为本发明中访问者访问第二IPFS模块流程图。访问者访问第二IPFS模块时，通过应用层将一个二元组请求的消息传输至第二IPFS模块，该消息包含访问者的ID和所需医疗数据ID；第二IPFS模块调用交易链的第二智能合约，获得访问者的属性组以及所需医疗数据的属性组，并发送到第二智能合约中的裁决权限点；裁决权限点根据第二访问控制策略对访问者的访问请求进行决策，并将决策结果传输至第二IPFS模块；若决策结果为不允许访问，则第二IPFS 模块不能通过应用层向访问者输出医疗数据，若决策结果为允许访问，则第二IPFS 模块通过应用层向访问者输出医疗数据。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (5)

1.一种基于双区块链的医疗数据安全共享系统，其特征在于，包括本地层、IPFS层、双区块链存证层、应用层和保障层，IPFS层包括第一IPFS模块和第二IPFS 模块，所述双区块链存证层包括用户链和交易链，保障层包括授权服务机构；其中，

本地层，用于存储医疗数据和患者每次就诊的就诊病历，医疗数据是指不包括患者信息的就诊病历；其中，患者每次就诊的就诊病历传输给第一IPFS模块，医疗数据传输给第二IPFS模块，医疗数据和就诊病历输出至授权服务机构；

第一IPFS模块，用于存储来自本地层的患者每次就诊的就诊病历；

第二IPFS 模块，用于存储来自本地层的医疗数据；

应用层，用于患者通过其实现对第一IPFS模块内每次就诊病历的访问；

访问者通过其实现对第二IPFS模块内医疗数据的访问；当访问者访问第二IPFS模块时，通过应用层将一个二元组请求的消息传输至第二IPFS模块，第二IPFS模块调用交易链的第二智能合约，根据二元组请求的消息获得访问者的属性组以及所需医疗数据的属性组，并传输到第二智能合约中的裁决权限点；二元组请求的消息包括访问者的ID和所需医疗数据的ID；

授权服务机构，用于根据患者的身份信息授予患者唯一用作标识的ID以及患者的属性，患者的属性为患者的ID；授予就诊病历唯一用作标识的ID以及就诊病历的属性，就诊病历的属性为该病历所属患者的ID；将患者的属性、就诊病历的属性传输至第一智能合约；

用于根据访问者的身份信息授予访问者唯一用作标识的ID以及访问者的属性组，访问者的属性组是根据访问者的身份信息获得的，访问者的属性组包括访问者的多个属性；授予医疗数据唯一用作标识的ID以及医疗数据的属性组，医疗数据的属性组是根据医疗数据获得的，医疗数据的属性组包括医疗数据的多个属性；将访问者的属性组、医疗数据的属性组传输至第二智能合约；

用户链，用于部署第一智能合约，第一智能合约包括患者的属性组、就诊病历的属性组以及第一访问控制策略；第一访问控制策略：当患者的ID与患者将访问的就诊病历的属性相同时，则判定患者访问该就诊病历；

交易链，用于部署第二智能合约，第二智能合约中存储访问者的属性组、医疗数据的属性组、第二访问控制策略以及权限裁决点；其中，访问者包括医院医护人员和科研机构工作人员和公共服务平台员工；权限裁决点根据第二访问控制策略对访问者的访问请求进行决策，并将决策结果传输至第二IPFS模块；若决策结果为不允许访问，则第二IPFS 模块不能通过应用层向访问者输出医疗数据，若决策结果为允许访问，则第二IPFS 模块通过应用层向访问者输出医疗数据；

第二访问控制策略是指：预先对医疗数据根据其隐私程度进行属性安全分级的划分，根据每个属性安全分级预设访问者的属性。

2.根据权利要求1所述的一种基于双区块链的医疗数据安全共享系统，其特征在于，访问者的属性组包括四个属性，分别为访问者角色att ₁、访问者所属科室att ₂、操作类型att ₃和操作目的att ₄；其中，访问者角色att ₁包括主任医师或主治医生或护士或科研机构工作人员或公共服务平台员工；访问者所属科室att ₂包括急诊科或内科或外科或产科或儿科或肿瘤科或传染科或药剂科或化验科或X光室；操作类型att ₃包括读取或打印；操作目的att ₄包括医疗或研究或教学。

3.根据权利要求2所述的一种基于双区块链的医疗数据安全共享系统，其特征在于，医疗数据的属性组包括医疗数据类型att ₅和医疗数据所属科室att ₆，医疗数据类型att ₅包括门诊病历或住院病历或护理病历或医嘱；医疗数据所属科室att ₆包括急诊科或内科或外科或产科或儿科或肿瘤科或传染科或药剂科或化验科或X光室。

4.根据权利要求3所述的一种基于双区块链的医疗数据安全共享系统，其特征在于，针对医疗数据隐私程度进行属性安全分级的划分，将医疗数据中的医疗数据类型为门诊病历和住院病历时，医疗数据归为等级1；将医疗数据中的医疗数据类型为护理病历时，医疗数据归为等级2；将医疗数据中的医疗数据类型为医嘱时，医疗数据归为等级3；在访问者角色att ₁中，存在主任医师和主治医生和护士和科研机构工作人员以及公共服务平台员工这五类访问者角色，规定主任医师和主治医生访问等级1和等级2和等级3的医疗数据；护士访问等级2和等级3的医疗数据；科研机构工作人员以及公共服务平台员工只能访问等级3的医疗数据。

5.根据权利要求4所述的一种基于双区块链的医疗数据安全共享系统，其特征在于，第二访问控制策略生成步骤如下：

当医疗数据为等级1时，访问者的四个属性均不为空，访问者角色att ₁为主任医师或主治医生，访问者所属科室att ₂为急诊科或内科或外科或产科或儿科或肿瘤科或传染科或药剂科或化验科或X光室，操作类型att ₃为读取或打印，操作目的att ₄为医疗或研究或教学，且满足访问者所属科室att ₂与医疗数据所属科室att ₆的属性相同；

当医疗数据为等级2时，访问者的四个属性均不为空，访问者角色att ₁为主任医师或主治医生或护士，访问者所属科室 att ₂为急诊科或内科或外科或产科或儿科或肿瘤科或传染科或药剂科或化验科或X光室，操作类型att ₃为读取或打印，操作目的att ₄为医疗或研究或教学；

当医疗数据为等级3时，省去访问者所属科室 att ₂，访问者角色att ₁为主任医师或主治医生或护士或科研机构工作人员或公共服务平台员工，操作类型att ₃为读取或打印，操作目的att ₄为医疗或研究或教学。

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