2024年4月30日发(作者：)
Reliable Transmission
DOI
：
10.16667/.2095-1302.2023.07.010
基于区块链的医疗数据存储和共享方法对比与分析
阎红灿
1,2
，窦桂梅
1
，郭小雨
1
（
1.华北理工大学 理学院
，
河北 唐山 063210
；
2.河北省数据科学与应用重点实验室
，
河北 唐山 063210
）
医疗数据面临存储难
、
共享难
、
数据获得感较低问题
，
而区块链技术具有去中心化
、
防篡改
、
匿名化
摘 要：
的特性
，
可以解决这些问题
，
实现医疗数据的安全存储和共享
。
通过梳理在区块链技术下医疗数据的存储和共享过
程
，
给出了以医疗数据走向为中心的区块链存储和共享框架
；
首先概述了两种存储平台
；
然后根据数据流向将区块
链中的加密技术分为数据存储中
、
数据共享中
、
数据交易中加密技术三类
，
并做了综述对比
，
从理论上分析了数据
共享中加密技术的优劣和适用范围
，
并给出结论
；
总结了数字签名技术应用在区块链中的3个改进方式
。
本文研究
为给医疗数据选择合理的存储共享方式和加密方法提供了方向
。
区块链
；
隐私保护技术
；
智能合约
；
数据共享
；
数据存储
；
医疗数据
关键词：
TP399 A 2095-1302
（
2023
）
07-0041-05
中图分类号：文献标识码：文章编号：
0 引 言
随着物联网的高速发展
，
其被广泛应用于医疗行业
，
通
过物联网设备收集了大量的医疗数据
，
用于了解用户的身体
各方面指标
，
而医疗机构间存在信息孤岛现象
，
使得数据共
享困难
，
患者就诊困难
；
在存储和共享过程中
，
患者敏感信
息泄露
，
会给患者带来社会上的负面评价
，
影响患者的身心
健康
。
区块链具有去中心化
、
防篡改
、
可共享的特点
[1]
，
与物
联网技术相结合
，
便于了解患者身体状况
，
保证数据提供者
和研究者之间的沟通交流
[2]
，
为患者诊治过程提供方便
，
也
有利于数据的安全存储和共享
。
Esposito等人
[3]
使用区块链
技术保护云存储中的医疗数据
，
防止数据被窃取或遭受外部
攻击者的攻击
；
在区块链模型的构建上
，
赵剑等人
[4]
本文对基于区块链技术的医疗数据存储和共享中应用的
隐私保护技术进行文献综述学习和分类研究
，
分别就区块链
技术
、
存储和共享框架
、
隐私保护技术做了详尽的技术对比
分析
，
总结了数字签名的3种改进方式
。
1 区块链相关技术
1.1 区块链技术
Nakamoto在2008年首次提出了比特币的概念
，
区块链
是实现比特币的底层技术
，
由此区块链受到广泛关注
。
区块
链技术利用密码学原理
、
共识机制
、
P2P
（
Peer-to-Peer
）
网络
、
智能合约等内容
，
在无相互信任的分布式系统的节点间实现
去中心化的点对点交易
[8]
。
区块链是根据时间顺序串联起来的链式结构
，
区块之间
是通过Hash值进行连接
，
除了创世区块外
，
每一个区块中
记录着本区块的 Hash 值
、
前一区块的 Hash 值
，
组成一个
逻辑上的链式结构
。
每一个区块中包含区块头和区块体两部
分
，
如图1所示
。
区块头包括前一区块哈希值
（
创世块除外
）、
本区块哈希值
、
时间戳
、
随机数
、
Merkle树等参数
；
区块体
中包括交易数量和交易数据
。
1.2 智能合约
智能合约是计算机可执行的协议
，
当达到程序设定的触
发条件时
，
自动执行合约
，
进行数据的处理和共享
。
区块链中借助了智能合约自动执行
、
不可逆转的特点
。
郭叶斌等人
[9]
通过制定智能合约
，
在服务消费方和服务提供
方之间签订合约规则
，
制定合理的处罚措施
，
保证平台交易
的公平性
。
王瑞锦等人
[10]
通过完善用户信息
，
构建病例合约
，
使用户具有授予和收回访问权限的能力
；
制定访问列表合约
，
2023
年
/
第
7
期
物联网技术
将双区
块链模型进行重构
，
使用户信息和交易信息分隔开
，
进行单
独处理
，
保障了医疗数据的隐私性
，
提高了数据的访问效率
；
在医疗数据的管理上
，
Azaria等人
[5]
使用区块链技术处理电
子病例
（
Electronic Medical Records, EMRs
）
数据
，
构建了
一种新型分散式记录管理系统
；
在区块链的共识算法上
，
杨
坤桥等人
[6]
通过改进委托权益证明机制
（
Delegated Proof of
Stake, DPoS
）
的计票机制和激励机制
，
剔除错误节点
，
使系
统更加稳定
；
在医疗数据的采集上
，
姚丽菡等人
[7]
使用物联
网设备进行信息采集
，
实时监控患者状态
，
并将诊治方法上
传到区块链上
，
在一定程度上改善了医患关系
。
收稿日期
：
修回日期
：
2022-08-31 2022-09-29
基金项目
：
河北省高等教育教学改革研究与实践项目
（
2020GJJG
158
）
41
Reliable Transmission
使科研机构能够访问到匿名的医疗数据
，
整个过程增强了系
统的稳定性和医疗数据的安全性
，
为医疗科研提供了更好的
医疗数据
。
Lee等人
[11]
建立一个电子医疗记录共享机制
，
通
过智能合约控制
，
可以实现特定患者数据的完整性
。
智能合
约的使用
，
保护医疗数据提供者和共享者的隐私
，
提高了系
统的安全性
，
使系统更完整
，
更有利于程序化
，
处理效率更高
，
能有效地抵御互联网的攻击
。
疗数据进行对称加密或非对称加密技术处理
；
对医疗数据关键信息进行关键字提
（
2
）
数据摘要处理
：
取
，
生成数据摘要
；
根据加密后的医疗数据内容
，
医院
（
3
）
数字签名处理
：
发起签名请求
，
患者对其进行数字签名
，
防止数据被篡改
；
将
（
1
）
中的加密医疗数据和
（
3
）
中的
（
4
）
数据存储
：
数字签名存储到第三方存储平台
；
加密
（
1
）
中返回的地址Hash
，
将
（
5
）
上链数据处理
：
加密 Hash 值
、
数据摘要等信息上传到区块链上
。
医疗数据成功存储到区块链上之后
，
数据请求者请求数
据时进行数据共享
。
具体流程如下
：
请求者提供自己的身份信息和所需要的
（
1
）
请求数据
：
医疗数据等信息
；
身份验证
：
区块链进行请求者身份验证
，
验证成功后
，（
2
）
智能合约自动执行
，
使用隐私保护技术对数据进行操作
；
数据请求者获取区块链中存储的信息
，（
3
）
获取数据
：
图1 区块示意图
进行数据解密
，
获得存储地址Hash值
，
然后从第三方存储
平台进行数据下载
，
获得完整数据
。
1.3 星际文件系统
星际文件存储系统
（
Inter Planetary File System, IPFS
）
是一个点对点的分布式存储且可以在网络中传输文件的系
统
[12]
。
IPFS中的文件和数据具有唯一性和防篡改的特点
，
每个上传的文件都会返回一个唯一的Hash地址
，
一旦Hash
值发生改变
，
将不会找到该文件
，
从而保证了文件和数据的
完整性
[13]
，
数据在节点中的分布式存储
，
可以节省网络存储
空间
。
2 数据存储共享机制
为了满足大量的医疗数据存储
，
保障数据安全
，
提高数
据存储和共享的效率
，
采用链上链下相结合的方式
，
在存储
平台上存储大量的医疗数据
，
在区块链中存储数据摘要或数
据的Hash地址等关键信息
。
2.1 数据存储和共享流程
在医疗数据存储和共享模型中有数据提供者
、
数据访问
者
、
第三方存储平台和区块链四个角色
，
数据提供者可以是
医院或者患者
，
数据访问者可以是患者
、
医院
、
研究所和保
险公司等机构
，
第三方存储平台是云服务器或IPFS
。
在数
据存储共享过程中
，
需要与加密技术
、
数字签名技术
、
智能
合约相结合
。
区块链作为存储和共享模型的中心
，
提供加密
需要的密钥
、
验证用户身份
、
数据存储和共享的功能
。
根据
医疗数据存储和共享的过程
，
绘制区块链技术应用框架
，
如
图2所示
。
在医疗数据存储过程中
，
对医疗数据做以下处理
：
患者通过物联网设备采集医疗数据
，（
1
）
数据加密处理
：
医院根据患者要求进行诊治
，
产生电子记录
，
医院对电子医
42
物联网技术
2023
年
/
第
7
期
图2 存储和共享过程中的区块链技术应用框架
2.2 存储共享平台
为了解决区块链不能存储大量的文本或图形数据的问
题
，
提出在区块链的基础上加入第三方存储平台
。
在第三方
存储平台上进行大量数据的存储
，
而区块链上存储一些关键
信息
。
王辉等人
[14]
采用链上链下相结合的方式
，
将医疗数
据块存储于链下分布式数据库中
，
在区块链中存储医疗元数
据
，
如时间戳
、
医生ID
、
文件路径
、
数据文件Hash等信息
。
在数据上链时
，
进行签名验证后
，
数据正式存入区块链
。
当
获取数据时
，
使用智能合约和隐私保护技术
，
进行医疗数据
处理
。
数据存储时
，
链下存储平台一般有2种
：
云存储和
IPFS
。
为了增加系统的数据存储能力
，
卫荣等人
[15]
采用云
存储的方式
，
在区块链中存储医疗数据摘要
，
在云端存储加
密后的完整医疗数据
。
云存储很难解决存储中心化的问题
，
当云服务器遭受到网络攻击的时候
，
容易造成患者数据隐私
Reliable Transmission
[16]
泄露
。
为了解决这个问题
，
巫光福等人采用IPFS的存储
方式
，
在区块链中存储交易信息的哈希值
，
在IPFS中存储
被匿名化处理过的电子健康记录
。
使用IPFS存储
，
解决了
云存储中暴露的问题
。
在IPFS中哈希值具有唯一性
，
保障
了数据不被篡改和丢失
。
相比于云存储
，
IPFS花费较低
，
节
约了存储成本
，
随着用户下载数据量增加
，
下载速率也会相
应提高
。
效率更高
。
在进行数据存储时
，
要根据数据量的大小和要达
到的效果进行综合考虑
，
并选择合适的加密算法
。
3.2 数据共享中加密技术
数据请求者请求医疗数据时
，
医疗数据中包含数据提供
者的敏感信息
，
为了保证数据提供者和请求者的隐私不被泄
露
，
通常使用同态加密技术
、
代理重加密技术
、
差分隐私技
术等进行数据操作
。
3.2.1 同态加密技术
同态加密是一种对敏感数据不需要解密的情况下
，
可以
直接对密文进行加法或乘法操作
，
依然能得到与明文结果一
致的加密技术
。
满足式
（
1
）
的叫做加法同态加密技术
；
满
足式
（
2
）
的叫做乘法同态加密技术
；
全同态加密是一种既
满足加法同态又满足乘法同态的加密算法
。
f(A)+f(B)=f(A+B)
（
1
）
f(A)×f(B)=f(A×B)
（
2
）
式中
：
f
是一个加密函数
；
A
、
B
表示明文
。
在医疗场景中
，
使用同态加密技术
，
能保证第三方机构
在无法获取医疗数据明文的情况下
，
对数据进行计算和验证
。
为了处理大量的数据
，
王童
[19]
将MapReduce和同态加密运
算结合进行计算
，
改变同态加密算法中加密明文的比特位数
，
在处理大量数据的情况下
，
节省了加密时间
。
为了解决传统
的理赔方式中保险公司能查看数据提供者的敏感信息的问
题
，
徐文玉等人
[20]
在文献[21]的基础上
，
利用同态加密技术
、
智能合约和两方安全计算技术
，
在不泄露数据提供者隐私的
情况下
，
使保险公司对数据提供者进行理赔
。
同态加密的使
用
，
保证了数据提供者的隐私数据
，
同时也加大了计算开销
。
3.2.2 代理重加密技术
代理重加密技术是在数据共享时
，
委托可信第三方或是
半诚实代理商将自己公钥加密的密文转化为可用另一方私钥
解开的密文
，
保证数据的安全
。
代理重加密流程如图3所示
，
进行数据共享之前
，
数据提供者A
、
数据请求者B和代理者
解密时间/s
0.003
5.793
0.046
503.614
3 隐私保护技术
根据数据存储和共享中数据的流向
，
将隐私保护技术分
为3类
：
数据存储中
、
数据共享中
、
数据交易中加密技术
。
3.1 数据存储中加密技术
在数据存储过程中
，
先对医疗数据进行加密
，
然后存储
到第三方平台
。
一般使用对称加密算法和非对称加密算法
，
根据处理数据量的大小和处理数据的位置不同
，
选择不同的
加密技术
，
如图 2中①
、
②位置处
，
一般①处数据量比较大
，
常采用对称加密算法
；
②处数据量比较小
，
常采用非对称加
密算法
。
对称加密算法
：
加密解密使用相同密钥
，
加解密速度快
，
计算量小
，
但只要密钥被一方泄露
，
加密信息就不再安全
。
非对称加密算法
：
公钥和私钥不同
，
是一个密钥对
，
用公钥
加密时
，
用私钥解密
；
用私钥加密时
，
用公钥解密
，
这种算
法比较安全
，
但是加解密速度较慢
。
周正强等人
[17]
为了提高加密效率
，
采用对称加密算法
加密医疗数据
；
成丽娟等人
[18]
存储的是患者个人的医疗数
据
，
数据量小
，
采用非对称加密算法
，
数据提供者用公钥加
密医疗数据
，
以密文形式存储
，
只有数据提供者可以获得完
整数据
，
达到了保护用户隐私的目的
。
本文复现了对称加密
和非对称加密算法加密医疗数据的过程
，
使用 UCI和 kaggle
网站中公开数据集
，
实验结果见表1所列
。
表1 存储中加密算法时间比较
文件大小
数据集一
data-ori 200 KB
加密算法
对称加密算法
非对称加密算法
加密时间/s
0.001
1.286
0.016
97.36
各自生成公钥和私钥
，
数据提供者A用自己的公钥加密数
据存储到第三方存储平台
；
数据请求者B请求数据
，
数据提
供者A同意之后
，
用A的私钥和B的公钥生成重加密密钥
，
将密文和重加密密钥发送给代理者
；
代理者用重加密密钥和
密文进行重加密操作
，
转化为只有B能解密的密文
，
并将密
文发送给B
；
B得到密文后用自己的私钥进行解密
。
为了保障数据隐私安全
，
高效地对医疗数据进行共享
，
在区块链中引用代理重加密技术
，
实现数据点对点共享
。
李
莉等人
[22]
在原有代理重加密技术上加入了Schnorr 签名技
术
，
应用于自身公钥加密密文的过程中
，
然后生成重加密密
钥
，
实现数据共享
，
保证了数据提供者完全控制数据流向
。
为了解决恶意机构攻击
、
密钥被泄露的问题
，
罗文俊等人
[23]
2023
年
/
第
7
期
物联网技术
数据集二 diabetic_
对称加密算法
data 18.2 MB
非对称加密算法
由实验结果看出
，
对于相同的数据集
，
对称加密比非对
称加密的加解密速度快
。
从时间方面进行对比
，
小数据集的
加解密时间较短
，
但在大数据集面前
，
非对称加密算法的加
解密时间较长
，
在实际应用过程中则需要等待很长时间
；
从
安全层面对比
，
非对称加密算法的安全性更高一些
。
因此小
数据集用非对称加密算法更安全
，
大数据集用对称加密算法
43
Reliable Transmission
在代理重加密算法中引入身份属性
，
只有合法且拥有读取权
限的用户能访问该数据
。
为了保证生成密钥的安全性
，
陈思
吉等人
[24]
引入分布式密钥生成技术
，
在生成密钥的过程中
，
采用密钥协商的形式生成用户和医疗机构的私钥
，
有效防止
用户之间的合谋攻击和部分机构被恶意攻击造成私钥泄露的
问题
。
为了实现单用户对多用户共享数据
，
李雪莲等人
[25]
提出了一种隐藏访问策略的属性加密和代理重加密相结合的
方案
，
在实现单用户对多用户共享的同时
，
解决了基于属性
加密的访问策略不可更改的缺点
。
共享
，
在一对多用户间的数据共享时存在效率低下的问题
。
3.2.3 差分隐私技术
差分隐私技术是使相邻的两个数据集
D
和
D'
，
S
m
为在
随机函数
M
所有可能的输出
，
P
r
为隐私泄露的概率
，
若
M
满足公式
（
3
）：
P
r
[(
MD
)∈
S
m
]≤
e
ε
P
r
[(
MD
')∈
S
m
]
（
3
）
则称
M
满足
ε
差分隐私
。
ε
为隐私保护预算
，
ε
越小隐私
保护效果就越好
。
通过原数据失真的方式
，
使真实数据得
到隐藏
，
以达到隐私保护的目的
。
攻击者不能从发布的数
据中推测出是否是真实的医疗数据
。
董祥千等人
[26]
使用差
分隐私和安全多方计算等相关技术
，
在满足大部分参与方
诚实可信条件的情况下
，
计算隐私保护预算
ε
，
输出满足
隐私预算的结果给数据访问者
，
保障了数据拥有者的隐私
数据
。
在实际应用中
，
差分隐私技术中隐私保护预算设置不当
，
会使数据无法正常使用或隐私遭到泄露
，
因此差分隐私不适
合于对数据精准计算和研究的场景
，
比较适合于将数据广泛
公布的场景
，
在这种场景下能保证数据提供者的隐私受到保
图3 代理重加密技术流程
护
，
保障了数据提供者的信息和人身安全
，
即使收到攻击者
攻击获取的数据
，
也无法推断出数据的真伪
。
本文对数据共享中的加密技术进行分析
，
总结了3种加
密技术的优劣和应用场景
，
具体见表2所列
。
代理重加密能安全地实现数据共享
，
且保证数据不被篡
改和泄露
，
由于在生成代理重加密过程中
，
需要数据请求者
的公钥
，
所以代理重加密技术比较适用于单用户之间的数据
表2 数据共享中加密技术优劣对比分析
类 别方 法方法描述
在不解密数据的情况下
，
对数据进
行计算
优 势劣 势应用场景
保险公司等不需要获取
数据提供者的具体数据
场景
第三方平台不被完全信
任的
，
有可能会泄露信
息的场景
数据公布场景中
同态加密技术安全性高计算资源开销比较大
数据共享中委托可信第三方或是半诚实代理商
不需要再次生成密钥
、
安单用户对多用户共享
加密技术代理重加密技术将自己公钥加密的密文转化为可用
全性高
、
通信成本低数据时效率比较低
另一方私钥解开的密文
差分隐私技术
在数据中加入噪声
，
满足条件输出数据
有效阻止攻击者攻击数据部分失真
3.3 数据交易中加密技术
数字签名相比于手写签名提高了安全性
，
常被用于判断
数据是否被篡改
。
数字签名包含生成密钥
、
签名和验证三个
过程
。
首先在可信第三方机构中获取公钥和私钥
；
然后发送
者一方面使用接收者公钥加密明文
，
生成密文信息
，
一方面
使用 Hash 算法对明文进行Hash运算
，
生成信息摘要
，
接着
发送者用自己的私钥加密信息摘要生成数字签名
，
将加密明
文和数字签名发送给接收者
；
最后接收者一方面使用自己的
私钥解密加密的明文
，
将所得明文进行Hash运行
，
得到信
息摘要
，
另一方面接收者使用发送者的公钥对数字签名解密
，
生成信息摘要
，
将两个信息摘要进行对比
，
若相同
，
说明数
44
物联网技术
2023
年
/
第
7
期
据没有被篡改
。
数字签名不仅能确定消息是否由发送者签名
发出
，
还能验证消息的完整性
。
数字签名具体流程如图4所示
。
数字签名应用于用户存储和共享信息之间
，
将数字签名
连同加密医疗数据存储在第三方存储平台中
，
在数据共享
时进行签名验证
。
成丽娟等人
[18]
使用无证书内容签名算法
，
对数据内容进行控制
，
数据提供者具有消除部分隐私信息的
权限
，
其他用户只能看到部分医疗数据
；
Rasslan等
[27]
在数
据签名的验证对象上进行控制
，
数据提供者可以控制数据请
求者的对象
，
提出了基于身份验证的签名和验证两个方案
，
降低了通信和计算成本
；
王瑞锦等人
[10]
在保证数据请求者
都是区块链上的用户的前提下
，
使用环签名的交易签名方案
Reliable Transmission
保证用户的绝对匿名
，
验证者通过特定的方式检查签名
，
验
证者只知道签名来自于这个环
，
但是不知道确定的签名者
，
不仅保证了数据提供者的隐私性
，
也保证了数据请求者的匿
名性
。
[4]赵剑
，
董文华
，
安天博
，
等. 面向医疗隐私保护的双区块链模型
研究[J]. 信息安全研究
，
2021
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2
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郭兵
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本文总结了数字签名改进的3个方面
：
一是对数据内容
的控制
；
二是对数据请求者的控制
；
三是在确定数据请求者
的前提下进行数字签名验证
。
这3种方法从根本上保证签名
结果的正确性和签名的不可伪造性
，
既能控制数据访问者的
访问权限
，
也保护了数据交易过程中用户隐私和数据的安全
。
4 结 语
医疗数据信息化为医学研究和患者诊治带来便利的同时
也带来了很多隐私安全问题
，
区块链技术为解决隐私泄露问
题提供了技术保障
。
本文以医疗数据流为中心
，
绘制了数据
存储和共享中的区块链技术隐私保护框架
，
概述了区块链在
数据存储和共享的过程中两种存储平台的优劣
，
对比分析了
3种场景下加密技术的优势
、
适用领域和数字签名的3种改
进方法
。
针对区块链中存在的容量与性能问题
、
存储速率
、
吞吐量
、
医疗数据记录出错
、
数据未能及时更新造成的重
复医疗等问题
，
随着区块链技术的快速发展
，
都能被很好地
解决
。
注
：
本文通讯作者为阎红灿
。
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62-64.
4 结 语
针对LEACH算法中簇头选取不合理
，
容易出现极大簇
和极小簇
，
造成网络能耗过大的问题
，
本文提出一种基于
LEACH的分簇优化及多跳传输算法
（
LEACH-COMR
）。
通
过限制簇成员个数
，
使之能够更加合理地分簇
；
通过采用单
跳结合多跳的路由方式
，
减少簇头节点的负担
；
通过阈值公
式的改进
，
充分考虑了节点的剩余能量对传感器网络的影响
，
同时所定义的比例系数也减少了距离因素对整个网络运行的
干扰
，
使得簇头选举更加合理
。
经过上述改进
，
优化后的算
法能够减少网络能耗并且延长网络的运行周期
。
今后会继续
研究分簇算法和多跳路由
，
进一步均衡簇的大小
，
合理分配
簇头的位置
，
进一步提高网络的性能
。
注
：
本文通讯作者为夏长权
。
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博士
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教授
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研究方向为文本挖掘与Web信息检索
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粒计算和医学数据
隐私保护
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网络舆情分析等
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窦桂梅
（
1996
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硕士
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研究方向为数据安全与隐私保护
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郭小雨
（
1987
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女
，
硕士
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讲师
，
研究方向为图像处理
、
大数据分析等
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50
物联网技术
2023
年
/
第
7
期
发布者：admin，转转请注明出处：http://www.yc00.com/news/1714465887a2451874.html
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