1.简介
医疗数据管理是存储和分析患者健康记录的过程，以改进患者治疗，有效跟踪疾病原因，生产有效药物并制定准确的预防议程。早期的数据管理形式包括记录患者的投诉、诊断和在健康记录中手动引入的相应治疗。后来，随着数字数据的发展，电子健康记录（EHR）应运而生[1]. 为了实现准确的医疗保健，EHR通常需要在不同的医疗组织、医药制造商、药剂师、医疗保险提供商、研究人员和患者之间共享。这对保持患者敏感数据的安全性和最新性提出了严峻挑战。在治疗周期内，患者可能会去不同的医院就诊/转院。美国卫生与公众服务部表示，在这种情况下，患者拥有自己医疗数据的权利，可能需要定义访问控制限制[2]以及欧洲议会和欧盟理事会[三]. 患者需要签署一份同意书，说明将共享哪些数据、与谁共享以及共享多长时间。出于安全考虑，同意书和数据将被张贴给收件人，而不是通过互联网发送[2]. 因此，在多家医院之间共享患者数据的过程变得复杂、耗时且难以协调。随着个性化医疗以实现更好的诊断和预后的趋势，当前使用客户端/服务器方法的EHR系统在向包括患者在内的多个利益相关者提供内聚视图和安全共享患者健康历史访问方面受到了限制。在集中式客户机/服务器方法中，电子健康记录很容易出错，从而导致危及生命的情况。此外，患者需要信任服务提供商及其存在的隐私和安全问题。 区块链[4,5]是一项非常有前途的技术，它可以在对等方之间实现安全、私有和分布式环境，而无需任何可信的第三方使用共识。它基于共享、分布式和不可变的账本。区块链网络中的每笔交易都由大多数网络参与者进行处理和验证，从而消除了对可信第三方的需求。验证后的验证事务被打包成块。通过将块的数据与前一块的散列进行散列，每个块都链接到前一块，从而提供了不变性。当超过50%的参与者使用共识算法达成协议时，网络中的块被视为有效[6]. 不可变和复制的区块链账本能够解决客户端/服务器模型中普遍存在的分散数据、延迟共享、缺乏审计跟踪、隐私和安全等问题[7]. 此外，区块链具有执行智能合约的重要特征，即一旦满足特定条件，就会自动执行代码片段。基于区块链的EHR在医疗保健领域具有巨大潜力，使联盟的医疗专业人员不仅可以管理和共享临床数据，还可以管理和分享重要的患者报告的社会和背景数据。此外，在分类账数据上实施人工智能方法，包括网络中所有医院的患者健康数据，可以帮助联盟的卫生专业人员更好地进行预后和诊断支持。虽然许多研究人员研究了基于区块链的医疗数据管理开发系统，但大多数工作都集中在不同区块链开发平台的比较上[8,9,10]. 据我们所知，这是第一项将区块链技术与当前的客户端/服务器模型进行评估和比较的工作。 本文的主要贡献如下：
本文的其余部分组织如下。我们概述了中的相关工作第2节.英寸第3节，我们介绍了区块链的原理及其对医疗保健的益处。我们在中讨论了开发的基于区块链的医疗平台的系统模型第4节。我们展示了客户端/服务器模型与区块链的实验和对比分析，使用了以下几个应用场景第5节.第6节本文得出结论。 2.相关工作
传统上，EHR由医疗组织使用客户机/服务器体系结构使用，医院保留主要管理权[11]. 从多家医院接受治疗的患者的医疗数据分散在不同的数据库中。为了解决这个问题，提出了几个基于云的eHealth应用程序[12,13,14,15,16,17]. 然而，隐私和安全是客户机/服务器和基于云的模型中的主要关注点。一些研究工作通过管理云存储中的健康数据和记录特殊区块链网络中数据的散列来解决隐私问题[18,19,20,21,22,23,24,25]. Wang等人[26,27,28,29,30,31,32,33]提出区块链中健康记录的数据完整性和真实性机制。 几部作品[8,9,10,34,35,36,37,38,39,40,41,42,43]提出一个基于区块链的医疗数据管理系统，涉及多家医院。Azaria等人[35]提出一个基于互操作区块链的应用程序，使联盟的卫生专业人员能够共享患者的健康记录。Dagher等人[8]和Li等人[36]提出一个基于以太网络的区块链框架，用于支持智能合约的医疗数据访问。然而，区块链网络[8,35,36]使用耗能大且不可缩放的工作证明（PoW）共识机制[44,45,46]. Fan等人[9]和Zghaibeh等人[34]使用实用拜占庭容错（PBFT）共识开发一个基于EHR区块链的框架，该框架比PoW更节能，性能更好[47]. 由提议的医疗数据管理系统[37,38,42,43]允许患者保留医疗数据的主要管理权，因为只有患者有权将其数据上传到网络。在这些系统中，联盟的卫生专业人员只能访问患者的健康记录。Uddin等人[10,39,40,41]提出一个基于区块链的医疗保健系统，联合健康专业人员和患者都具有数据更新权限。据我们所知，目前还没有对客户端/服务器和基于区块链的医疗数据管理系统进行比较的工作。在本文中，我们实现了一个基于区块链的最小医疗保健平台，并将其执行时间和传输的数据量与用于健康记录更新和查询的客户端/服务器系统模型进行了比较。这是由于越来越多的记录和医院。 3.区块链范式
图1显示了区块链体系结构。该体系结构由以下层组成[6]: 区块链网络可以分为无许可或有许可[48]. 无权限网络（也称为公共网络）对任何使用伪名称的用户开放[49]. 鼓励用户加入网络，通过提供奖励来增强安全性。此网络中的分类帐数据对每个人都可见。许可网络（也称为专用网络）是一个基于邀请的网络，仅允许授权参与。数据的可见性取决于证书颁发机构定义的访问控制权限。考虑到有限的网络参与，与无许可的区块链相比，有许可的区块链可扩展性更强，吞吐量更高。 3.1. 区块链的特点
区块链是一个对等网络，使利益相关者能够相互共享交易，确保权力下放。它具有以下特点：
权力下放：不需要集中的第三方，因为分类账是在网络中的大多数参与者达成共识后更新的。
不变性：分类帐中的块使用其内容和前一块的散列进行散列。因此，一个区块中的任何修改都会修改分类账中的以下所有区块。这使得修改区块链中的区块在计算上变得困难，因为账本是在对等方之间复制的。如果数据输入错误，则通过发布新事务来更正这些数据。
透明度：网络中的任何变化都记录为交易，所有维护分类账副本的参与者都可以查看。
可追溯性：网络中任何事件的复制都可以方便地进行跟踪和审计跟踪。
不可信任：由于共识机制维持了网络中的信任，彼此不认识的参与者可以进行彼此之间的交易。
3.2. 交易执行机制
交易是一种改变区块链分类账的行为。它依赖于应用程序，可以是货币资产的转移或智能合约的执行。区块链中的交易执行流程如下：
交易建议：用户使用散列算法对事务进行散列。然后使用用户的私钥对这个散列值进行加密。其结果被称为数字签名。数字签名和数据一起广播到网络。
交易验证：事务由每个验证节点验证。这是通过验证用户身份并确保数据完整性来实现的。身份通过解密签名进行身份验证，完整性通过散列事务并将其与解密结果进行比较来确保。有效事务将发送到挖掘节点。
块生成：挖掘节点（根据使用的一致协议选择）验证有效事务，并以块大小不超过预定阈值的方式将其分组到块中。它对事务数据、块版本、时间戳和前一个块的散列值进行散列，然后对该散列值执行散列，以获得该块的哈希值。矿工向网络广播区块。
复制：验证和挖掘节点验证块的有效性，作为共识协议的一部分。有效后，每个节点通过附加块来更新其分类帐副本。
3.3. 对医疗保健的益处
与客户端/服务器方法相比，基于区块链的医疗平台具有以下优点：
容错：在基于客户端/服务器的系统中，患者的健康数据在一个集中的数据库中进行管理。一旦数据丢失，就无法恢复。区块链的复制特性有助于容错。
数据共享：在当前的客户机/服务器系统中，患者的数据分散在多家医院的数据库中。不同医院和医疗组织之间的数据共享是一个复杂的过程。然而，在基于区块链的平台中，分类账中记录的患者数据在网络中的所有医院之间复制。
互操作性：在基于客户机/服务器的系统中，每家医院使用异构数据格式和结构将患者数据存储在不同的数据库中，这导致了互操作性方面的挑战。区块链中的同步和复制账本解决了这个问题。
避免重复测试：目前，患者的数据分散在不同的医疗机构中，患者经常需要重复各种实验室和病理检查。这不仅会带来巨额医疗费用，而且会对人体产生不利影响。复制的区块链分类账有助于避免医疗测试。
安全性：现有的基于客户端/服务器的系统容易受到不同的网络攻击，例如钓鱼和黑客攻击。被盗的健康记录可以用来购买医疗设备，方法是创建一个假ID，或者将患者号码与假提供者结合起来申请医疗保险。表1显示了根据《健康保险便携性和责任法案》（HIPAA）的一份报告，美国被破坏的健康数据记录的数量[50]以及根据联邦局的一份报告得出的违反健康记录的成本[51]2009年至2019年。违反健康记录的成本包括法医专家费用、外包热线支持、客户损失价值以及未来服务的免费订阅和折扣[52]. 该表显示，2015年违反的健康记录数量激增。这是由于健康保险公司Anthem迄今为止遇到的最大的健康记录泄露事件，由于患者的记录没有加密，近7880万人受到影响[53]. 区块链的不变性特征确保了数据安全。
4.基于区块链的医疗保健系统模型
我们为医疗保健开发了一个基本的区块链平台，为医疗保健交易编程提供了最低限度的功能。这是使用许可的区块链网络，因为它比无许可的网络具有优势。基于区块链的医疗保健系统模型由参与者组成，如患者、联合健康专业人员（医生、护士和药剂师）和管理员；医疗测试数据等资产；以及诸如健康记录更新和查询等事务。图2显示了开发的基于区块链的医疗平台概述。它表明，该平台涉及多家医院和参与者，包括患者，连接到区块链网络。医院包括不同的部门，如放射和病理实验室以及医生、护士、药剂师和管理员。让N个代表所有医院，K（K）参与者总数和M（M）患者总数()在网络中。每个医院我,i∈{1，…，N}，维护分类账的副本。参与者k个,k∈{1，…，k}更新/查询患者的健康记录j个,j∈{1，…，M}对于每个医疗事务，医生和药剂师充当完整节点，管理员充当挖掘节点。开发的基于最小区块链的医疗平台支持两种类型的事务：（1）数据更新和（2）数据查询。 在开发的平台中，为了执行医疗交易，患者和/或联盟医疗专业人员将交易发送到区块链网络。医生和药剂师验证交易，并将验证的交易发送给作为矿工的管理员。管理员将为事务生成块，并将其广播给所有其他医院的管理员进行复制。开发的基于区块链的医疗平台中医疗事务的执行流程如所示图3。矿工的选择和分类账更新是使用共识协议完成的。 开发的基于区块链的医疗平台中使用的共识协议是PBFT[54]. 选择PBFT共识协议而不是常用的工作证明（PoW），因为后者消耗更多能量[44,45]吞吐量更低[46]而不是前者。在PBFT中，挖掘节点称为对等节点。领导者节点是以循环方式从对等节点中选择的。领导者接收来自网络参与者的所有交易。对事务进行验证并生成一个块。然后向所有对等方广播该块。每个对等节点验证块中的事务，重新计算块的哈希值，并将块的哈希值广播给网络中的所有其他对等节点。如果每个对等节点从网络中2/3的总对等节点接收到相同块的哈什值，则用该块更新其分类帐。 分类帐中与患者健康记录相对应的块j个主要由带有工作负载的事务组成以及块的哈希与工作负载块的总工作负荷由，是以下各项的总和和。当参与者k个启动患者健康记录的更新/查询事务j个，执行时间()由方程式给出(1).哪里表示通信节点之间传输总工作负载的通信时间。它是通过将总工作负载除以通信节点之间的网络带宽来计算的。表示处理时间，该时间是生成交易数字签名所用时间的总和j个、先导节点生成块所用的时间以及对等节点验证块的哈希值所需的时间。在本文中，我们考虑了通信时间和忽略处理时间。通信时间()对于区块链分类账更新/查询，按照等式计算(2).哪里表示传输患者健康记录事务的通信时间j个参与者之间k个以及区块链挖掘节点我（医院），指示验证程序和挖掘节点的挖掘器之间的事务通信时间我,表示节点领导之间的块通信时间我以及对等节点，表示对等节点和表示挖掘节点之间确认的通信时间我和参与者k个.方程式(三)–(7)显示这些项的计算。 同样，传输的数据量()更新/查询患者的健康记录j个可以使用公式计算(8).哪里，表示从参与者向挖掘节点广播事务时传输的数据量。它类似于验证节点和挖掘节点之间传输的数据量。因此在方程式中乘以2(8). 它可以使用事务的大小进行计算。术语表示挖掘节点和参与者之间传输的用于确认的数据量，它与确认信号的大小相同。和在方程式中(8)使用公式计算(9)和(10)分别是。哪里指示广播具有工作负载的块时传输的数据量从先导节点到对等节点，以及表示对等节点之间传输的一致性数据量。 基于区块链的医疗系统模型允许共享健康记录，以提供更准确和及时的患者护理。然而，保护记录的隐私、机密性和安全性对于有效的数据共享至关重要[55]. 隐私是指患者控制自己数据的权利。保密是指使用患者数据维护患者身份隐私的相关卫生专业人员和管理人员的义务。根据美国联邦法规第2部分第42条的规定，医疗服务提供者必须获得患者的书面同意，以便与其他医疗机构共享健康记录，甚至用于治疗[56]. 1998年数据保护法案[57]和1998年人权法案[58]提供一个管理患者健康记录的机密使用和共享的框架。这些隐私和保密法律可以通过智能合同和访问控制机制得到加强。此外，根据HIPAA安全规则[59]应采用适当的加密和认证方法，确保健康记录的完整性。在区块链中，安全是通过使用加密机制对每个健康事务进行数字签名来建立的[60]以及事务的散列链接，以增强数据的完整性。 为了维护数据隐私和安全，各区块链参与者对患者健康记录具有不同的基于角色的访问权限。初级保健保健提供者应能完全访问所有患者的健康史，包括患者的身份信息，如姓名、联系方式、照片、生物特征信息和病历号；身高、体重和腰围等生物数据；体温、血压、血糖水平、诊断、治疗和过敏等医疗数据；实验室和病理结果，如x射线、磁共振成像、心电图和计算机断层扫描；以及社会数据，如吸烟习惯、睡眠模式、体力活动和饮食计划。这为初级护理提供了患者健康记录的统一视图，以实现个性化护理和基于人工智能的预后/诊断。为了进行生物医学研究，定义了患者数据的另一级可访问性。生物医学研究人员可以访问匿名数据。匿名性通过区块链智能合约执行的同意规则得到加强。
5.绩效评估
在本节中，我们通过使用两种应用场景分析区块链平台在哪些条件下优于客户端/服务器模型。我们评估并比较了随着网络中健康记录和医院数量的增加，这些模型用于健康记录更新和查询的执行时间和传输数据量。
5.1. 方法
5.1.1. 应用场景
我们执行了两个实验应用场景来评估客户端/服务器和区块链模型的性能：（1）健康记录更新和（2）健康记录查询。
在第一个场景中，一名联合健康专业人员更新患者的健康记录。我们使用客户端/服务器模型开发了这个场景，在该模型中，专职卫生专业人员更新充当服务器的医院本地数据库，如中所示图4。数据更新成功后，服务器向联盟的健康专家发送确认。然后，我们测量此进程的总执行时间和传输的数据量。我们还使用我们的最小区块链平台开发了该应用程序，在这种情况下，联盟健康专家会向区块链网络发送健康记录(图4). 被选为先导的挖掘节点的管理员为该记录创建一个块，并将其发送给对等节点的管理员进行验证。每个管理员都会验证区块，并将区块的哈希值发送给网络中的所有其他管理员。一旦从大多数管理员那里收到相同的哈希值，管理员就会更新医院的账本副本。一旦将包含健康记录的块添加到链中，就会向联盟的健康专业人员发送确认信息，通知数据更新成功。然后测量执行时间和为此过程传输的数据量。 在第二个场景中，患者和/或相关的健康专业人员查询健康记录。我们使用客户机/服务器系统模型开发此场景，在该模型中，患者和/或相关健康专业人员向拥有该记录的医院发送健康记录查询请求，如所示图5作为对请求的回应，医院发回了健康记录。我们测量此进程的总执行时间和传输的数据量。我们还使用基于最小区块链的医疗平台开发了应用场景，在该平台中，患者和/或联盟医疗专业人员向区块链网络发送查询请求(图5). 被选为领导者的挖掘节点的管理员为查询事务创建一个块，并将其发送给网络中的其他医院管理员。每个管理员都将验证该块，并向网络中的所有其他管理员发送该块的哈希。管理员从大多数管理员处收到相同的散列值后，会更新医院的分类账副本。更新分类账后，健康记录将转发给患者或相关健康专业人员。联合健康专业人员将从其本地分类账副本中检索健康记录，而患者将从拥有分类账副本的最近医院检索健康记录。 5.1.2. 实验环境
为了评估客户端/服务器模型和基于区块链的医疗平台，我们实现了这两个网络模型。在区块链系统模型中，我们考虑由单个健康记录组成的区块。这是为了避免在将多个记录分组到受块大小限制的块中时，延迟处理健康记录。我们在实验中使用了25.86 MB大小的健康记录。这是因为记录由标准大小的图像和文本组成，例如口腔内摄影（1.64 MB）、牙科全景X光片（0.85 MB）、正畸头影图（1.20 MB）和皮肤损伤摄影（22.17 MB）[61]. 对于查询应用程序场景，我们使用了表示健康记录查询的块大小1MB。区块链中的区块由标题和正文组成。在我们的实验中，正文包含一个健康记录，标题包含元数据信息，如前一个块的散列、时间戳、Merkle根散列值、块编号和版本[6]. 在我们的实验中，我们使用80字节的标准块标头大小。实验中使用的散列算法是SHA-256，它为给定的输入生成唯一的256位输出[62]. 选择SHA-256是因为它在区块链实施中很受欢迎。为了评估动态医疗数据管理系统的影响，我们对客户机/服务器和区块链系统模型进行了所有实验，这些模型的健康记录数量不断增加（4000、5000、6000、7000、8000和9000），医院数量也在增加（10、20、30、40、50和100）。我们增加了记录数量，同时将医院数量保持在10家不变；我们增加了医院数量，同时保持记录数量保持在4000家不变。根据健康统计中心的报告，选择最小记录数，即4000代表平均患者记录，每天访问10家医院（实验中的最小医院数）[63]. 我们使用网络模拟器NS3[64]开发实验。 5.2. 结果分析
图6显示了使用客户端/服务器更新健康记录的执行时间，以及随着健康记录数量的增加而开发的基于最小区块链的医疗保健模型。它表明，客户端/服务器和区块链模型的执行时间随着健康记录的增加而线性增加。然而，客户端/服务器模型的执行时间小于区块链。这是因为区块链中用于数据验证和复制的共识机制。必须更新到分类账中的健康记录将发送给所有拥有分类账副本的医院进行验证。此外，每个对等节点将块的散列传输给网络中的其他对等节点，以便在将其附加到分类帐之前达成共识。另一方面，在客户机/服务器方法中，数据更新请求被传输到存在患者数据的医院。因此，与健康记录更新的区块链方法相比，客户端/服务器的执行时间更少。与区块链平台相比，客户端/服务器方法更新健康记录的时间平均减少8.5倍。图7显示了客户端/服务器和区块链模型在更新健康记录所传输的数据量与不断增加的记录数量之间的性能。这表明，与客户端/服务器网络相比，区块链平台中传输的数据量更多。这是因为每个健康记录更新请求都由先导节点广播到网络中的所有对等节点，从而产生更多的数据传输。此外，每个对等节点将块的散列广播给网络中的所有其他对等节点，以增加数据传输。平均而言，区块链模型传输的数据是客户端/服务器方法的10倍。 图8显示了客户端/服务器的执行时间，以及开发的基于最小区块链的医疗保健模型，用于从包含越来越多健康记录的数据库中查询健康记录。这表明区块链的执行时间明显少于客户端/服务器方法。这是因为在客户端/服务器中，数据是从记录所在的服务器检索的，而在区块链中，数据则是从分类账的本地副本检索的。区块链中的执行时间仅是因为将数据查询请求传输到网络中的所有节点，并在协商一致的情况下将请求作为一个事务添加到一个块中。平均而言，区块链查询健康记录的速度是客户端/服务器方法的11.7倍。图9显示了客户端/服务器和区块链模型传输的数据量，用于从健康记录数量不断增加的数据库中查询健康记录。这表明区块链平台传输的数据量比客户端/服务器方法更多。这是因为区块链使用了PBFT共识协议。与查询健康记录的客户端/服务器方法相比，区块链平均传输1.1倍的数据。然而，区块链传输的用于分类账查询的数据量(图9)与分类帐更新相比更少(图7). 这是因为，对于分类账更新，一个块包括要更新的单个健康记录，而对于分类账查询，它包括一个大小相对较小的查询请求。 图10显示了客户端/服务器和区块链模型的执行时间，这些模型用于更新越来越多的医院的健康记录。相对性能与不断增加的健康记录类似(图6). 这表明区块链模型的执行时间比客户机/服务器更长。平均而言，客户端/服务器方法更新健康记录的时间比区块链少13倍。图11显示了通过客户端/服务器和区块链方法传输的数据量，用于更新越来越多的医院的健康记录。这表明，由于区块链使用的共识协议，区块链的执行时间比客户端/服务器方法要长。平均而言，区块链传输的数据量比客户端/服务器方法增加了10倍，每增加10家医院。 图12显示了随着医院数量的增加，从数据库查询健康记录的执行时间。当我们增加健康记录的数量时，相对性能是相同的(图8). 这表明区块链的执行时间与客户机/服务器方法相比要少得多。平均而言，区块链比用于健康记录查询的客户端/服务器方法快8倍。图13显示了客户端/服务器和区块链模型传输的数据量，用于查询数据库中的健康记录，医院数量不断增加。它表明客户端/服务器模型传输的数据量是恒定的。这是因为无论医院数量多少，查询的健康记录数量都是恒定的。将对具有所需记录的医院执行查询。然而，区块链平台传输的用于查询健康记录的数据量随着医院数量的增加而增加。这是因为PBFT达成共识，医院之间进行了信息交流。平均而言，区块链传输的数据量是10家医院客户端/服务器模型的1.1倍。 表2显示了客户机/服务器和区块链方法在账本更新和查询的执行时间方面的性能，随着健康记录和医院数量的增加。这表明，随着健康记录和医院数量的增加，区块链在分类账查询方面的表现优于客户端/服务器。表3显示了随着健康记录和医院数量的增加，用于分类账更新和查询的客户端/服务器和区块链方法传输的数据量。客户端/服务器方法在所有应用场景中都优于区块链。 6.结论
虽然许多研究人员调查了区块链在医疗数据管理中的应用，但据我们所知，还没有对传统客户机/服务器模型的这种新范式进行评估。客户机/服务器模型存在数据管理、数据碎片、漏洞、安全和隐私问题。区块链范式由于其不变性、安全性、隐私性和数据复制功能，在加强健康记录管理方面具有强大的潜力。在本文中，我们对两种用于医疗数据管理的模型进行了比较分析。
为了分析正在研究的用于更新和查询健康记录的模型的性能，我们开发了一个基于区块链范式的基本医疗平台。实验结果表明，区块链范式可以带来显著的改进。尤其是在以患者为中心的方法中，患者和/或医生不断访问健康记录，以构建不同医院的一致视图，从而使用机器学习和人工智能算法实现更好的诊断或预后。我们的结果表明，随着健康记录数量的增加，区块链平台的健康记录查询速度比客户端/服务器模型快11.7倍。然而，考虑到执行时间和每次事务涉及健康记录更新时传输的数据量，基于区块链的系统模型比客户端/服务器系统模型成本更高。这是因为分类账更新中涉及共识机制。未来的研究方向之一是实现所开发的平台以评估其隐私和安全性。
