基于区块链的云计算下的生物医学大数据存储与共享

基于区块链的云计算下的生物医学大数据存储与共享

沈俊杰 郭丽瑞 管斌 彭明辉

（扬州大学，江苏扬州）

摘要：进入数字化时代，生物医学数据的海量数据存储与共享存在着困难，传统的中心化存储体系和半信任的云端存储很难在隐私保护和数据共享上达到动态平衡。区块链技术具有去中心化、防篡改、可追溯以及匿名性等特性。区块链为解决生物医学大数据的存储与共享提供了一种全新的方案。本文阐述了区块链技术的基本概念和核心技术原理，探索了区块链技术在生物医学大数据存储与共享中的应用以及隐私保护问题、高效共享问题，旨在对区块链技术在生物医学大数据存储与共享的相关研究提供帮助。

关键词：区块链；云计算；生物医学大数据；存储与共享。

一、引言

信息化时代已经到来。由于数字化和云存储的发展，越来越多的数据从纸张传输到电子设备[1]。纸质的数据不再是“标配”，电子生物医学数据成为了主要的存储方式。尽管生物医学数据的出现使得智慧医疗发展迎来了风口，生物医学数据共享被认为是提高医疗服务质量，加快生物医学发现并降低医疗成本的一种有前途的方法[2,3] ，但是中心化的医疗体系结构所导致的信息孤岛问题以及半信任云端的隐私泄露问题阻碍了电子病历的共享。互操作性、数据安全性和私密性成为了目前生物医学数据存储与共享的关键性因素。

二、相关技术

区块链技术是神秘的中本聪在2008年发明的比特币的基本技术。区块链是一种分布式数据库或公共分类帐，区块头包含哈希值，随机数以及Merkle根等信息。每一个区块包含前一个区块的哈希值使得区块链成为了一种特殊的链式结构。区块链以点对点的方式运行，所有的交易在区块链网络中广播后，都会分配给每一个网络维护节点验证，只有当区块链网络中51%的参与节点达成共识后，区块才能被证实有效并且加入区块链中，所有合法的交易都会保存在数据块中，数据块也会按照按时间顺序保存并连接在一起。正是因为这些制约条件，才使得区块链具有去中心化、防篡改、可追溯以及匿名性等特性。

智能合约概念于1995年由 首次提出，定义为一种通过代码程序来自动执行的交易协议。虽然智能合约的想法在很早之前就被提出，但一直都无法落地实现，由于缺乏可支撑合约自动执行的平台和相关技术，直到区块链技术的出现，才为智能合约提供了可支撑的平台。智能合约是在区块链上运行的模块化、可重用和自动执行的脚本。一旦满足预先设置的条件，智能合约就可以在没有第三方的情况下自动地进行，并将结果写入区块链中，如图2所示。通过智能合约，我们可以实现可信交易，并且这些交易可追踪且不可逆转。对于违反智能合约的用户，智能合约设置者有权撤销用户的权限。

三、国外研究情况综述

在本节中，我们深入分析相关研究人员在基于区块链的医疗数据存储与共享上的科研成果。

Qi等提出了一种基于区块链的信息管理系统[1]，医院将原始的电子病历存储私人的数据库，仅仅将加密的摘要数据和哈希值上传到防篡改的区块链中，以便数据使用者访问EMR和检索EMR。该方案中，医院并没有将原始的医疗数据上传到半信任的第三方服务器器，使得数据泄露的风险大大降低。并且这篇文章的访问控制结合安全可信的对称加密，可以实现环签名算法，群签名和零知识证明方案同样的增强匿名性的效果。

Zhang等提出了一种基于双区块链的医疗记录安全存储和共享方案[2]。这篇文章中，患者将自己的电子病历加密后存储在第三方托管服务中，存储链用来存储云端电子病历的索引，共享链用于实现医疗记录的共享，智能合约保证了不可信环境下数据共享时的访问控制。存储链与共享链这种双链的结构使得该系统的拓展性好、吞吐量高，在实现隐私保护的同时，提高了医疗数据共享的效率。

Xi等设计的系统基于许可的区块链，该区块链仅允许访问受邀用户和被验证的用户[3]，该方案设置了严格的访问控制用于数据使用者身份的验证，由于所有数据使用者都是被监管的，所以这些用户的操作日志都会被保存在防篡改的区块链中，当数据发生泄漏时，用于追踪数据。

三、区块链结合云计算

基于云计算技术的发展，生物医学数据被传输到云端进行计算处理，避免了生物医学数据数据丢失等问题。但是云服务器是半信任的，生物医学数据存在被窃取的风险，而区块链可以保证生物医学数据不被篡改。同时，由于存储空间的限制，区块链无法存储大量的生物医学数据，而云存储能够为用户提供大量的存储空间。因此，大量学者提出了区块链技术与云服务器相结合的方法，可以兼顾较高的数据安全性和搜索效率。

五、结语

近日，新型冠状病毒的肆虐导致生物医学大数据成为了最受关注的领域。区块链凭借着其去中心化、防篡改和隐私保护的特性与生物医学大数据的存储与共享，加入云计算使得区块链在生物医学领域数据的共享更加安全便捷，也有越来越多的学者加入到区块链在生物医学领域的研究中来。随着区块链技术的快速发展，基于区块链的应用将会涵盖除医学大数据以外社会生活的多个方面，习近平主席提出的“区块链+”的模式将会被越来越多的行业所接受。

【参考文献】

[1] Fan K. MedBlock: Efficient and Secure Medical Data Sharing Via Blockchain[J]. Med Syst,2018, 42(136).

[2] 张利华. 基于双区块链的医疗记录安全存储与共享方案[J].计算机工程与科学,2019,41(09):1581-1587.

[3] Xia Q. BBDS: Blockchain-Based Data Sharing for Electronic Medical Records in Cloud Environments[J]. Information, 2017, 8(44).

【基金项目】

扬州大学大学生创新创业训练计划项目（学术科技创新基金项目）

【作者简介】

沈俊杰(1999-)，男，汉族，江苏盐城，扬州大学本科在读，通信工程专业