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转载 基于区块链技术传染病四级防疫链网络应用

发布时间:2020-12-31 10:00:09 浏览 2214 来源:深圳聚力 作者:编辑01

    基于区块链技术传染病四级防疫链网络应用,新冠肺炎疫情,暴露出我国的传染病直报、监测和预警系统在疫情之初预警效果并不理想的问题。有专业人士分析我国传染病监测预警系统的现状和问题的基础上,提出利用区块链技术改进现有系统的设想。

    基于区块链技术传染病四级防疫链网络应用

    利用区块链技术的数据入链防篡改、加密传输、智能合约防干预自动执行、数据在节点间自动化同步等特性],从理论上探讨对于我国传染病监测预警体系的改进和优化,整合分散的疾病防控资源、嵌入监测哨点应用,实现疾控多元化数据(医疗、社会与自然、互联网、病原等)的自动化采集,为传染病大数据预警提供真实可靠的数据支撑。

    利用区块链智能合约建立各区域间的联动预警处置机制,在疫情爆发早期邻近区域共享相关疫情基础数据,从而形成基层实时联动防控和顶层统筹调度防控相结合的传染病双层监测、响应模型。

    基于区块链技术的四级防疫链包含以下具体内容:

    1)建立患者、医生、医院、设备等的全网分布式数字身份

    目前,国际上基于区块链技术安全的个人电子健康档案和电子病历的隐私保护方面是研究热门,因为患者医疗信息一直以来缺少同行、同业间的信息共享和个人隐私保护。

    例如,在“健康信息交换项目”中将病人受保护的医疗信息连接至区块链身份认证中,以降低身份验证成本,并提高所有参与者的信息安全。

    本研究是基于区块链的分布式数字证书,构建非对称密钥加密和CA认证体系,采用椭圆曲线加密算法作为基础签名算法,几乎不存在证书颁发成本,即可实现海量的数字证书颁发和身份验证,可以适用于大量医疗物联网(IoT)设备和个人电子健康档案、电子病历、传染病报告数据的数据隐私保护和网络安全传输,具体见图2。

    由图2可见,患者、医生、医疗机构、设备、药店等社会疾控参与方,都可以通过四级防疫链提供的医疗数字身份管理软件工具开发包(SDK),在跨平台、多语言的系统或者设备中实现数字身份的管理。

    公共卫生数据将在非对称加密算法的保障下实现安全传输,采用数字身份管理体系是实现传染病分布式监测和预警的前提,只有个人隐私和疫情信息安全得到充分保障,才能打破预警数据源单一、信息孤立的问题,才能调动社会资源实现传染病监测哨点的主动数据采集。

    分布式数字身份验证与管理图2 分布式数字身份验证与管理

    2)整合国家公共卫生数据交换平台

    目前,国家三级/四级公共卫生数据交换平台正在全国范围推广建设,中国疾病预防控制中心于2013 年初将宁波市鄞州区作为试点,通过区域卫生信息平台,将医院信息系统和三级公共卫生数据交换平台进行连接,实现医疗机构传染病报告信息与网络直报系统的自动交换。

    但是,公共卫生数据交换平台还采用传统中心化协调机制,逐级数据共享,反而会增加传染病报告的不确定性和风险性。

    本研究所构想的四级防疫链将整合国家和区域的公共卫生数据交换平台,在数据交换平台中部署四级防疫链的跨链节点,从而快速搭建四级防疫链的数据交换网络,在保障单链内数据有效共享的同时,异步自动化的实现跨链数据交换。

    具体见图3,由图3可见,四级防疫链的跨链节点可通过在已有的区域公共卫生数据交换平台部署跨链节点,实现链内和链外的数据交换,链外公共卫生健康数据可通过集成数据交换SDK,实现链外数据的补充。

    四级防疫链的跨链节点具备双层应用功能,分别是链内共识层和跨链共识层两部分。链内实现区域内疫情数据的自动化同步,数据的一致性验证和共识,共识算法采用实用拜占庭容错算法(PBFT)。

    链内共识层承担链内数据交易和疫情分类账本的生成,并向跨链共识层提交共识请求。跨链共识层在上级防疫链中发起数据一致性验证和共识,并完成自动化同步工作。

    通过四层防疫链的跨链节点,实现链内数据和链外数据的实时、安全、自动化交换,从而实现链内数据和链外数据共享的异步传输,大大提高了四级防疫链的可扩展能力,理论上并不限制防疫链的跨链级数,可二级、三级或四级等。

    四级防疫链整合公共卫生数据交换平台图3 四级防疫链整合公共卫生数据交换平台

    3)优化传染病上报流程

    目前,国家传染病上报体系中对传染病的认定和报告属于“无病推定原则”,对传染病报告数据的完整性、重复率、准确性要求太高[2,24],特别是对新型传染病的认定,需要逐级核实、反复会诊、讨论分析和逐级审核,以至于耽误了传染病上报的最佳时机。

    利用区块链技术,采用“有病推定原则”,优先将疑似病例通过监测哨点直接上报到区块链网络存证,哨点应用通过数字签名后,将疑似病例信息进行加密处理,并将患者公钥提交到四级防疫链的医院全节点中,医院全节点通过P2P网络,全网广播该病例密文数据。

    区域防疫链中的Leader节点负责发起验证和共识,最终记录自动化同步到全网节点中。预警将充分使用区域防疫链智能合约阈值判断和国家传染病自动预警系统大数据分析。

    同时,对于传染病的核实、区域会诊、病原分析、专家会诊和最终确认工作将并行开展。

    各环节的决策结果将使用区块链共识节点的PBFT共识算法投票,超过2/3的确认即可在全网达成一致,最终决策结果将自动同步并更新疑似病例状态为:True或False。

    将疑似病例和确认病例通过区块链网络并行上报,疑似病例的传染病密文上报和同态验证功能,可以将疫情的人为决策降低到最低。

    4)扩大风险数据采集源

    建立传染病风险性特征库,通过在公共卫生数据源中部署基于区块链技术的传染病监测哨点应用,以低侵入的方式嵌入相关业务数据源中,通过数字身份认证和加密体系,保障数据实时安全地采集到四级防疫链的分布式节点中。

    哨点应用采用主动采集模式,即以事件驱动方式,将满足前置规则(如发热≥38°C)的数据实时采集到区块链共识节点中,前置规则由区块链防疫链网络统一发布,任何一方都无法直接篡改哨点前置规则。

    哨点应用支持多个主题,包括传染病报告卡数据、临床风险特征数据、实验室病原分析数据、学校缺课数据、社区卫生事件数据、社区药店数据和互联网卫生敏感监测数据等。

    公共卫生健康数据可从个人电子健康档案和电子病历中自动识别和采集,病原分析数据可从实验室智能设备直接采集,公共卫生事件数据可通过药店、社区、基层卫生机构和互联网医疗APP中自动识别和上报。具体见图4。

    传染病特征数据采集源和提取图4 传染病特征数据采集源和提取

    由于传染病风险性特征数据并不是直接定性的传染病报告卡,所以对社会稳定和经济并没有直接影响,而对于大数据预警来说可以增加数据的范围和规模,提高预警精度和时效性。

    传染病风险性特征数据的上报,将压力从医生、医院和当地CDC那里转移到四级卫生健康数据交换节点,用自动化、智能化代替人工填报,减少了基层的社会压力。

    传染病传播本质上是一种自然因素和人为因素交织在一起形成的风险源,所以需要建立复合、多元的风险源数据监测网络。

    5)建立传染病区域基层联动实时预警能力

    智能合约是用于执行合同条款的计算交易协议,包括合同当事人和执行这些条款的协议。但是在分布式交易网络中,最早成功商用化的还是以太坊智能合约。

    以太坊的智能合约是一个可以编程,建立在以太坊虚拟机(ethereum virtual machine,EVM)的基础上,具备图灵完备性的分布式智能合约开发引擎[27]。

    本研究采用的是一套类似EVM智能合约虚拟机的防疫预警合约引擎,但与以太坊EVM不同之处在于,由于本项目是联盟链,不需要Gas计费及相关功能。

    四级防疫链的智能合约是基于EVM引擎的应用合约(见图5),分为强制执行的通用预警合约和差异化的区域预警合约两种,每次交易(风险记录)的产生,都将调用区域预警合约进行预警数据入账,区域预警合约的调用将前置调用通用预警合约,通用预警合约的级别优先于区域预警合约。预警合约按照提前发布的预警逻辑发布到分布式节点中。

    预警合约内部包括预警逻辑、风险编码、风险记录和预警账本。

    预警逻辑所需要的参数都需要在共识节点中实现确认和共识验证,具体的区域预警将通过预警逻辑的判断执行,最终结果更新到预警账本中。

    由于传染病的爆发流行具备空间流行特性,所以早期的区域联动预警非常重要,预警合约触发后,可通过区域防疫链的邻近度属性通知邻近区域相关传染病疫情报告,同时共享发现疫情的基础数据。

    依托于四级防疫链数据自动化实时同步能力,通过区块链预警智能合约,建立基于规则模型的数据实时判断预警能力,将目前的国家传染病自动预警功能下沉到各区、市和省级的区域防疫链中,形成基层联动实时预警网络。

    四级防疫链的智能合约图5 四级防疫链的智能合约

    6)建立基层分布式传染病数据加密安全共享网络

    区、县级医院,区级CDC,市级CDC目前是传染病报告的基本窗口,医院和CDC有上报传染病病例的义务和责任,是国家统筹监测、预警和控制疫情的基础。

    但对于医院判断当前疫情的整体态势来讲,却只能通过各地逐级汇总后的传染病报告,经CDC统计后由上至下的统一告知。

    重大疫情的爆发往往具有突发的特征,而疫情早期,在第一时间,多医院、多区域横向同步报告数据,将极大增强医生、医院勇于上报疫情的信心,为一线医护工作者提供疫情态势感知,为提前准备防护物资提供了基础保障。

    但是要完成传染病数据的区域共享,首先要解决数据加密传输、存储和安全共享机制。

    可参考麻省理工的Enigma系统原型,在区块链P2P网络底层和数据应用层之间构建一层多方安全计算(MPC)和数据安全共享层,从而实现传染病数据在保护个人隐私和机构数据安全的前提下,在区域内、多机构之间安全共享。

    四级防疫链区域医疗数据共享将在数据加密的保护下进行,非疫情期的个人数据将处于区域防疫链和个人的密钥协商的保护下密文存储。

    医疗数据和社会机构交易数据,将在四级防疫链的Diffie-Hellman密钥交换算法和MPC的架构保护下,进行数据密文存储和智能合约的自动预警,疫情爆发后通过区域预警智能合约解锁密文,提供给邻近区域内的医疗机构,进行疫情个人和诊疗数据共享。

    7)建立基于区块链的防篡改和透明性的上报数据追责存储机制

    基于区块链技术的数据存储优势在于,可以在防篡改和多方透明的交易机制中,将传染病预防、发现和响应的过程/任务以交易形式,记录在区块链分布式节点中,从而实现数据永久有效、证据溯源可查、公开透明的防治网络。

    本研究采用类似比特币的区块数据结构,利用SHA 256哈希算法,通过区块哈希指针的区块前后关联,实现数据的链式存储。

    四级防疫链依托于链式区块结构和参与方的签名交易,构成一条相关疫情数据发现、诊断、检验、核实、多方会诊、收治、护理、出院等的患者全生命周期责任溯源链,疫情数据包括传染病报告卡和传染病风险特征数据,将以交易的形式统一存储在区块内,交易类型由交易大类和交易细类两种构成。

    例如,“发现、诊断、检验、核实、多方会诊、收治、护理、出院”为交易大类,“发现”交易大类中的“传染病风险特征值编码”为交易小类,从而形成具备相关职责溯源交易结构。

    由于传染病防疫包括传染病发现者、患者、核实者、诊断者、主治医生、护理员等多个交易角色,分别围绕患者展开隔离或医治工作。每次的交易推进需要双重或多重签名交易,并将参与双方或多方的公钥附上,用于下次交易的验证,通过数字签名和验证形成天然的职责链条。

    疫情爆发后,除了积极控制疫情、治愈患者、清除疫情给社会和经济带来的不良影响,还要积极总结经验教训。

    基于四级防疫链追责体系,可以给社会公众提供一个透明化监督和事件追责的数据依据,无论是医院、当地CDC,还是政府管理者,都可以通过区块链的防篡改和透明性特征自证清白。

    无论接诊疑似病例或确诊病例的处理,还是传染病报告的上报,都可以在社会公众和上级主管部门的监督下开展,一旦重大疫情追责,可以依托区块链数据可溯源的特性,形成完整的、防篡改的责任链条。

    责任链有利于在医联体内部实行资源共享、信息互通、双向转诊,通过契约模式来促进医联体内各个医疗机构的合作,激励其合作意愿[28];也可以极大增强政府的公信力,为防疫和控制疫情提供坚实的群众基础;也为政府公共管理提供技术、组织和制度变革的基础设施。

    传染病可疑数据将通过分布式共识协议在节点间保障数据一致性,任何单方面的人工干预和信息阻隔都无法阻止预警信息的传递,从网络结构上可以充分实现区域内自治预警的相关疾控部门的联动处置;同时依靠防疫跨链机制,可在邻近区域联动风险预警。基于这些特点,区块链技术在传染病监测预警系统中的应用具有广阔前景,也将在学术界形成新的研究热点。
    来源:以上内容节选于论文《基于区块链技术的我国传染病监测预警系统的优化研究》,作者:黄锐、陈维政、胡冬梅、陈玉玲、邱虹,详情内容可以查询原文细读。

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