CN112562811B - 一种基于区块链的瘦客户端电子医疗数据安全共享方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于区块链的瘦客户端电子医疗数据安全共享方法，属于物联网领域。本发明使用区块链对电子医疗记录进行共享及隐私保护，再对瘦客户端的共享做了相应的优化，避免了瘦客户端易泄露隐私等缺陷；医生把电子医疗记录发送给患者，患者根据就自己的意愿决定是否共享及上传自己的医疗记录；如果患者需要某种医疗服务，相关机构则需要获取查询权限。本发明提出的三层共享模型，利用联盟区块链的特点，有效地解决了在共享EMR的同时也不会使患者隐私信息泄露或者被恶意篡改，而且患者也可以在瘦客户端进行共享操作，是一种有效兼顾EMR数据共享与隐私保护的方法。

Description

一种基于区块链的瘦客户端电子医疗数据安全共享方法

技术领域

本发明涉及一种基于区块链的瘦客户端电子医疗数据安全共享方法，属于物联网领域。

背景技术

随着云存储的发展，许多医疗机将电子医疗记录上传到云共享中心；云共享可以打破“孤岛”现象的壁垒，实现多家医疗机构的电子医疗记录的共享，为相应的医疗研究和电子医疗记录的管理带来新的转机。各家医疗机构在得到认证许可的条件下，可以查询及下载云中的EMR以用来做相应研究。不过云共享有个比较突出的弊端，当数据量非常庞大的时候，管理起来相当不方便。虽然在一般模式下，云存储***拥有自己的一套信息管理模式。但是面对恶意攻击等意外情况时，如何将分散和巨大的信息团快速地梳理清楚，确实是个棘手的问题。而且，多家医疗都将EMR数据存储在中心云，这对云存储***也是一个不小的挑战，查找和修改数据都会有很大的时间和通信开销。

区块链(Blockchain)的出现为EMR的共享隐私保护找到了一个可行的突破口，现在国内外都有基于区块链的信息共享及隐私保护的研究。EMR作为既要共享数据也要保护隐私的典型，基于区块链的EMR共享及隐私保护的研究也是非常有必要的。现在有些研究专门针对医院的电子医疗记录的分布式存储，分布式存储可以克服云存储及云共享单点攻击等缺陷。

不过，电子医疗记录(Electronic Medical Record,EMR)非常分散且极易被篡改，有些方法利用区块链的去中心化等特性对EMR进行隐私保护。不过目前这些方法不利于EMR的共享，也不兼容手机等瘦客户端，因为瘦客户端存储容量较小以及计算能力有限，不能下载完整的区块链进行挖矿，导致了共享EMR的同时增加了隐私保护的困难。

目前基于区块链EMR隐私保护的数据共享有一个明显的缺陷，相应的区块链只能在完整节点也就是矿工上运行。因为在区块链上查找数据要下载完整的区块，这对移动终端设备极其不友好。瘦客户端的存储和计算性能都相当有限，不能像矿工那样进行挖矿，也就不具备下载及存储完整区块链的能力。但是现在有大量数据表明相当多的用户是在瘦客户端对数据信息进行操作，由此可见针对瘦客户端的优化是十分必要的。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于区块链的瘦客户端电子医疗数据安全共享方法，该方法真正实现患者成为医疗记录的“主人”，完全由患者自己决定是否共享个人的电子医疗记录，而不受医院或者其他可信第三方的控制；通过区块链对医疗记录进行共享和隐私保护，还考虑到了大部分患者用户都会在自己的手机端进行信息操作，针对瘦客户端进行了相应的优化；通过联盟区块链的协助，克服了瘦客户端存储能力小和计算性能低等缺陷，避免了在瘦客户端上进行数据操作易泄露数据等风险。

本发明采用的方法是：使用区块链对电子医疗记录进行共享及隐私保护，再对瘦客户端的共享做了相应的优化，避免了瘦客户端易泄露隐私等缺陷；医生把电子医疗记录发送给患者，患者根据就自己的意愿决定是否共享及上传自己的医疗记录；联盟区块链在存储层充当两个角色，一是充当云存储来存储上传的电子医疗记录，二是协助瘦客户端进行挖矿操作；如果患者需要某种医疗服务，相关机构则需要获取查询权限，这一部分的操作由联盟区块链和智能合约完成。

所述方法的具体步骤如下：

Step1、选择联盟区块链中的代表节点(RTN)和审计节点(ATN)

在区块链EMR共享***的存储层中，从联盟区块链的矿池中进行投票选举；排在前30名的作为代表节点(RTN)，在共享层中充当完整节点进行挖矿操作；排在之后的20个节点作为审计节点(ATN)，用来审计RTN中是否存在不诚实节点；如果检测出不诚信节点的存在，则有ATN中的最高分节点充当RTN，在矿池中重新选举一个RTN节点；检测出的不诚实节点将不再具备选举资格。

Step2、构建***模型

原始电子医疗数据M由医生发送给相关患者，患者删除电子医疗记录中的敏感私密信息记录为M’，并由患者自己重新生成有效的提取签名，而无须进行额外的交互；对应的电子医疗记录M’自动上传到存储层，以便机构成功查询该电子医疗记录，存储层由联盟区块链和云存储构成，联盟区块链协助瘦客户端完成挖矿操作，找到M’对应的索引。

Step3、相关机构获取医疗记录的查询权限

在EMR共享层中，联盟区块链中的RTN作为完整节点用户帮助瘦客户端完成挖矿过程以找到所需查询的EMR索引，其中查找过程利用K匿名算法完成，认证过程如下：

①A——>Patient：

机构A向患者P发送查询请求，并将自己的身份ID_A和公钥PK_A发送给患者，等待患者的认证。

②Patient——>RTN：

***随机选取k-1个完整节点用户,将ID_A……ID_k总共k个用户名发送给这30个完整用户节点。

③RTN——>Patient：

30个完整用户节点遍历自己的区块链，然后找到ID_A、ID₁、ID₂…各自对应的公钥PK_A、PK₁、PK₂…并且将这些公钥发送给患者；此过程利用K匿名算法隐藏需要查找的真实信息，从而避免在存在不诚实节点的情况下泄露患者P隐私。

④Patient——>A：

如果患者从A接收到的PK_A和从完整节点用户接收到的PK_A相同，则可以确定ID_A来自于机构A；患者随即给A发送一个包含自己身份ID_P和一个随机数的N_P的信息，其中该信息用机构A的公钥PK_A进行加密。

⑤A——>Patient：

机构A用自己的私钥PK_A来解密收到的信息来得到ID_P和N_P，从而找到患者所对应的公钥PK_P；然后A再用PK_P加密包含ID_A、N_A、N_P的信息发送给患者。

⑥Patient——>A：

患者用自己的私钥SK_P解密收到的信息从而得到NA，并且检查NP是否在该消息中；如果NP在该消息中，则说明机构A是IDA的拥有者，即机构A的身份为合法的；然后患者将包含EMR数据和NA的信息加密并发送给机构A，其中该信息使用PKA进行加密。

⑦机构A用自己的私钥SK_A来解密受到的信息，如果N_A包含在收到的信息中，则确定该患者的身份信息为真实且有效的；机构A就认为收到的EMR数据是真实且有效的。

优选的，本发明Step1中联盟区块链的矿池中的投票选举采用DPOS共识机制，区块是由被社区选举出来的可信账户来创建的，可信账户是得票数排行在前101位的受托人。

优选的，本发明Step2中为实现医生和患者之间基于身体的加密和签名算法，还需要一个额外的公钥加密，这个签名方法是基于以下的验证条件：

s^e＝i*t^f(，m)(mod n) (1)

其中m为传送的信息，s、t是签名，i是用户的身份特征，n是两个大素数的产物，e是与ψ(n)互质的大素数，f是一个单向函数；参数n，e还有函数f是由密钥生成中心来进行选择，并且所有的用户在他们的智能卡里都存有相同的n，e以及对于函数f的算法描述；但是关于n的因子分解方式仅能有密钥生成中心知晓；对于用户之间唯一不同的区别就是i的值以及对应i的密钥g不同；g的值由以下共识唯一确定：

g^e＝i(mod n) (2)

所述g由密钥生成中心计算出来；为了对消息m进行签名，用户选择一个随机数字r并且计算：

t＝r^e(mod n) (3)

签证方法被重写为：

由于e与ψ(n)互质，在指数上消除相同的因素e：

s＝g*r^f(t，m)(mod n) (5)

此时s就可以不用任何的根式分解就可以被计算出来；计算出来的s用作基于身份的签名。

本发明的有益效果如下：

(1)与传统集中式存储方式不同，区块链可以让患者真正成为医疗记录的“主人”，患者可以凭个人意愿决定是否共享个人电子医疗记录，不再受医院等可信第三方的控制。

(2)与传统区块链的应用场景不同，本发明考虑到了现在移动互联网的普及率，在区块链的协助下，用户可以随时随地通过手机等移动终端来控制个人信息，以防止在共享的过程中信息泄露或者被恶意篡改。

(3)机构在获取电子医疗记录的查询权限后，自动获取该患者的医疗记录，无须再进行额外的操作，大大简化了查询过程；患者及医疗记录真实性的校验均由智能合约完成，增加了整个***的智能性和自动化性。

附图说明

图1是本发明电子医疗记录共享的三层架构图；

图2是本发明电子医疗记录共享时序图；

图3是联盟区块链的相关参数及其作用；

图4是完整节点协助瘦客户端完成挖矿操作的过程。

具体实施方法

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明，但本发明的保护范围并不限于所述内容。

实施例1

一种基于区块链的瘦客户端电子医疗数据安全共享方法，具体包括以下步骤：

Step1、联盟区块链中代表节点(RTN)和审计节点(ATN)的选择

在EMR共享***的存储层中，从联盟区块链的矿池中进行投票选举；排在前30名的作为代表节点(RTN)，在共享层中充当完整节点进行挖矿操作；排在之后的20个节点作为审计节点(ATN)，用来审计RTN中是否存在不诚实节点；如果检测出不诚信节点的存在，则有ATN中的最高分节点充当RTN，在矿池中重新选举一个RTN节点；检测出的不诚实节点将不再具备选举资格。

本实施例所述联盟区块链的矿池中的投票选举采用DPOS共识机制，区块是由被社区选举出来的可信账户来创建的，可信账户是得票数排行在前101位的受托人；DPOD机制类似于股份制公司，普通股民进不了董事会，投票选举代表即受托人代他们做决策；这101个受托人可理解为101个矿池，这101个矿池的权利是完全相等的；这些代表矿池如果利用权利恶意修改数据，会被选民立刻踢出整个***，而后备代表可以随时顶上去。

本实施例使用安全电子选举中带有两个中央机构的投票协议[000]；这个协议中一个是中央合法机构(Central Legal Authority,CLA)来证明投票者，另一个是单独的中央制表机构(Central Tabulating Facility,CTF)来计票；在存储层中，该协议可以保证101个代表节点可以在互不干扰的情况下进行投票，要求得到一个有效数字，且没人只有一次有效投票的机会；CTF还会保留一张有效数字接收者的名单，以防有人试图改票。

由以上过程选出选出的RTN作为在共享层中帮助瘦客户端挖矿的完整节点用户，以便找到EMR索引；ATN则监督挖矿过程以及检测不诚实节点。

Step 2、构建***模型

原始电子医疗数据M由医生发送给相关患者，患者作为M的拥有者和管理者，有权利删除诸如家庭住址等私密信息，删除私密信息后的医疗记录为M’，患者再将M’发送给原来的医生。患者删除电子医疗记录中的敏感私密信息采用内容提取签名(CES)，CES允许患者从原始签名消息即医生发送的原始医疗数据中删除敏感部分，并由患者自己重新生成有效的提取签名，而无须进行额外的交互。

为实现医生和患者之间基于身体的加密和签名算法，还需要一个额外的公钥加密，这个签名方法是基于以下的验证条件：

s^e＝i*t^f(t，m)(mod n) (1)

其中m为传送的信息，s、t是签名，i是用户的身份特征，n是两个大素数的产物，e是与ψ(n)互质的大素数，f是一个单向函数；参数n、e还有函数f是由密钥生成中心来进行选择，并且所有的用户在他们的智能卡里都存有相同的n,e以及对于函数f的算法描述；但是关于n的因子分解方式仅能有密钥生成中心知晓；对于用户之间唯一不同的区别就是i的值以及对应i的密钥g不同；g的值由以下共识唯一确定：

g^e＝i(mod n) (2)

这个g由密钥生成中心计算出来，并且如果RSA方法是安全的，那么没有人可以做到对于n的指数型分解。

每一个信息m都会有大量可能的(s,t)签名但是他们的密度非常低以至于随机的查找几乎是不可能找到其中任何一个的；任何一个设定(s,t)其中一个随机的值，然后求解另外一个参数的尝试都会要求指数根的一个分解，但是这被普遍认为在计算上是困难的。然而当g是已知的，即使n的因子分解方式未知对于任何一个消息m产生任何一个签名都存在着一个简单的方法；

为了对消息m进行签名，用户选择一个随机数字r并且计算：

t＝r^e(mod n) (3)

签证方法被重写为:

由于e与ψ(n)互质，可以在指数上消除相同的因素e：

s＝g*r^f(t，m)(mod n) (5)

此时s就可以不用任何的根式分解就可以被计算出来；计算出来的s用作基于身份的签名。

Step3、某机构获取查询权限

在EMR共享层中，联盟区块链中的RTN作为完整节点用户帮助瘦客户端完成挖矿过程以找到所需查询的EMR索引，其中查找过程利用K匿名算法完成；其认证过程如下：

①A——>Patient：

机构A向患者P发送查询请求，并将自己的身份ID_A和公钥PK_A发送给患者，等待患者的认证。

②Patient——>RTN：

***随机选取k-1个完整节点用户(比如E、F…),将ID_A连同ID_E、ID_F…总共k个用户名发送给这30个完整用户节点。

③RTN——>Patient：

30个完整用户节点遍历自己的区块链，然后找到ID_A、ID₁、ID₂…各自对应的公钥PK_A、PK₁、PK₂…并且将这些公钥发送给患者。此过程利用K匿名算法隐藏需要查找的真实信息，从而避免在存在不诚实节点的情况下泄露患者P隐私。

④Patient——>A：

如果患者从A接收到的PK_A和从完整节点用户接收到的PK_A相同，则可以确定ID_A来自于机构A。患者随即给A发送一个包含自己身份ID_P和一个随机数的N_P的信息，其中该信息用机构A的公钥PK_A进行加密。

⑤A——>Patient：

机构A用自己的私钥PK_A来解密收到的信息来得到ID_P和N_P，从而找到患者所对应的公钥PK_P。然后A再用PK_P加密包含ID_A、N_A、N_P的信息发送给患者。

⑥Patient——>A：

患者用自己的私钥SK_P解密收到的信息从而得到NA，并且检查NP是否在该消息中。如果NP在该消息中，则说明机构A是IDA的拥有者，即机构A的身份为合法的。然后患者将包含EMR数据和NA的信息加密并发送给机构A，其中该信息使用PKA进行加密。

图1是本发明中电子医疗记录共享方法的架构图，从图中可以看出，本发明将电子医疗共享***划分成三层架构，即上传层、存储层和共享层；理论上，上传层和存储层是同时进行的，或者说存储层的准备工作不能晚于上传层，否则上传电子医疗记录后没有区块链对其索引进行保护；而共享层中机构获取查询权限不得早于上传层和存储层的准备工作的完成。

图2是本发明中电子医疗记录共享流程的时序图，由图看出，本发明一改以往由医院或其他医疗机构决定上传及共享医疗记录与否，让患者成为医疗记录真正的“主人”。本发明可由患者自行决定是否共享自己的医疗记录；如果某机构因特定需求需要查询某患者的电子医疗记录，获取该患者的查询权限，如果该患者通过了该权限，即同意上传并共享个人的电子医疗记录，由智能合约自动为其上传，患者无须进行额外操作。

图3是联盟区块链的相关参数及其作用；联盟区块链的处理速度比公有链有要快，去中心化程度比私有链要高得多，联盟区块链克服了公、私有链的缺点，融合了两者的优势，应用场景也比其他两种更加广泛；从图中可以看出联盟区块链各个参数及其特性都有利于帮助患者检验查询机构身份的真伪性，从而有效地降低了被恶意攻击的风险。

图4是完整节点协助瘦客户端完成挖矿操作进行查询机构身份确认的操作，图中的序号即为该过程的操作步骤；其中的完整节点由联盟区块链中的RTN来充当，协助瘦客户端进行挖矿操作以确认查询机构身份的真伪。

Claims (2)

1.一种基于区块链的瘦客户端电子医疗数据安全共享方法，其特征在于，具体包括以下步骤：

Step1、选择联盟区块链中的代表节点和审计节点

在区块链EMR共享***的存储层中，从联盟区块链的矿池中进行投票选举；排在前30名的作为代表节点RTN，在共享层中充当完整节点进行挖矿操作；排在之后的20个节点作为审计节点ATN，用来审计代表节点中是否存在不诚实节点；如果检测出不诚信节点的存在，则有审计节点中的最高分节点充当代表节点，在矿池中重新选举一个代表节点节点；检测出的不诚实节点将不再具备选举资格；

Step2、构建***模型

原始电子医疗数据M由医生发送给相关患者，患者删除电子医疗记录中的敏感私密信息记录为M’，并由患者自己重新生成有效的提取签名，而无须进行额外的交互；对应的电子医疗记录M’自动上传到存储层，以便机构成功查询该电子医疗记录，存储层由联盟区块链和云存储构成，联盟区块链协助瘦客户端完成挖矿操作，找到M’对应的索引；

Step3、相关机构获取医疗记录的查询权限

在EMR共享层中，联盟区块链中的RTN作为完整节点用户帮助瘦客户端完成挖矿过程以找到所需查询的EMR索引，其中查找过程利用K匿名算法完成，认证过程如下：

①A——>Patient：

机构A向患者P发送查询请求，并将自己的身份ID_A和公钥PK_A发送给患者，等待患者的认证；

②Patient——>RTN：

***随机选取k-1个完整节点用户,将ID_A……ID_k总共k个用户名发送给这30个完整节点用户；

③RTN——>Patient：

30个完整节点用户遍历自己的区块链，然后找到ID_A、ID₁、ID₂…各自对应的公钥PK_A、PK₁、PK₂…并且将这些公钥发送给患者；此过程利用K匿名算法隐藏需要查找的真实信息，从而避免在存在不诚实节点的情况下泄露患者P隐私；

④Patient——>A：

如果患者从A接收到的PK_A和从完整节点用户接收到的PK_A相同，则可以确定ID_A来自于机构A；患者随即给A发送一个包含自己身份ID_P和一个随机数的N_P的信息，其中该信息用机构A的公钥PK_A进行加密；

⑤A——>Patient：

机构A用自己的私钥PK_A来解密收到的信息来得到ID_P和N_P，从而找到患者所对应的公钥PK_P；然后A再用PK_P加密包含ID_A、N_A、N_P的信息发送给患者；

⑥Patient——>A：

患者用自己的私钥SK_P解密收到的信息从而得到N_A，并且检查N_P是否在该信息中；如果N_P在该信息中，则说明机构A是ID_A的拥有者，即机构A的身份为合法的；然后患者将包含EMR数据和N_A的信息加密并发送给机构A，其中该信息使用PK_A进行加密；

⑦机构A用自己的私钥SK_A来解密受到的信息，如果N_A包含在收到的信息中，则确定该患者的身份信息为真实且有效的；机构A就认为收到的EMR数据是真实且有效的；

Step2中为实现医生和患者之间基于身体的加密和签名算法，还需要一个额外的公钥加密，这个签名方法是基于以下的验证条件：

s^e＝i*t^f(t，m)(mod n) (1)

其中m为传送的信息，s、t是签名，i是用户的身份特征，n是两个大素数的产物，e是与ψ(n)互质的大素数，f是一个单向函数；参数n，e还有函数f是由密钥生成中心来进行选择，并且所有的用户在他们的智能卡里都存有相同的n，e以及对于函数f的算法描述；但是关于n的因子分解方式仅能有密钥生成中心知晓；对于用户之间唯一不同的区别就是i的值以及对应i的密钥g不同；g的值由以下共识唯一确定：

g^e＝i(mod n) (2)

所述g由密钥生成中心计算出来；为了对消息m进行签名，用户选择一个随机数字r并且计算：

t＝r^e(mod n) (3)

签证方法重写为:

s^e＝g^e*r^ef(t，.)(mod n) (4)

由于e与ψ(n)互质，在指数上消除相同的因素e：

s＝g*r^f(t，m)(mod n) (5)

此时s就可以不用任何的根式分解就可以被计算出来；计算出来的s用作基于身份的签名。

2.根据权利要求1所述基于区块链的瘦客户端电子医疗数据安全共享方法，其特征在于：Step1中联盟区块链的矿池中的投票选举采用DPOS共识机制，区块是由被社区选举出来的可信账户来创建的，可信账户是得票数排行在前101位的受托人。