徐浩愷 譚惠東 葉一陽(yáng) 鄭桂鋒 石皓文

摘要：傳統(tǒng)聽(tīng)診器受醫(yī)生臨床經(jīng)驗(yàn)等主要因素影響嚴(yán)重且紙質(zhì)化的病歷難攜帶、易丟失，存在局限性，大大影響醫(yī)療質(zhì)量。針對(duì)這種情況，本文設(shè)計(jì)了一個(gè)基于區(qū)塊鏈的可視化聽(tīng)診與電子病歷系統(tǒng)?；趨^(qū)塊鏈的可視化聽(tīng)診與電子病歷系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)聽(tīng)診可視化以及電子病歷的書(shū)寫(xiě)和查看，采用區(qū)塊鏈技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)醫(yī)療病歷的跨地區(qū)、跨平臺(tái)查閱，同時(shí)加密技術(shù)也為患者電子病歷的安全性提供了保障，有效幫助提高醫(yī)療效率。

關(guān)鍵詞：區(qū)塊鏈技術(shù);可視化聽(tīng)診;電子病歷;數(shù)據(jù)庫(kù)

Abstract： Traditional stethoscopes are severely affected by doctors clinical experience and other major factors， and the paper-based medical records are difficult to carry and easy to lose. There are limitations， which greatly affect the quality of medical care. In response to this situation， a visual auscultation and electronic medical record system based on blockchain was designed. The blockchain-based visual auscultation and electronic medical record system can realize the visualization of auscultation and the writing and viewing of electronic medical records. The use of blockchain technology can realize cross-regional and cross-platform access to medical medical records. At the same time， encryption technology also provides the security of patients' electronic medical records. Sex provides a guarantee and effectively helps improve medical efficiency.

Key words： blockchain technology; visual auscultation; electronic medical records; database

1 引言

目前，僅用耳朵聽(tīng)的傳統(tǒng)聽(tīng)診器，受醫(yī)生臨床經(jīng)驗(yàn)等主觀因素影響嚴(yán)重，因此設(shè)計(jì)了可視化聽(tīng)診器并增加了心率采集功能。同時(shí)紙質(zhì)化的病歷存在局限性，它不僅使得患者難以攜帶，也容易丟失。因此設(shè)計(jì)了基于javaweb的電子病歷系統(tǒng)。然而該系統(tǒng)無(wú)法實(shí)現(xiàn)跨平臺(tái)的醫(yī)療病歷查閱，同時(shí)由于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在醫(yī)院的數(shù)據(jù)庫(kù)中，這種集中存儲(chǔ)容易受到黑客攻擊而導(dǎo)致大量病歷泄露，區(qū)塊鏈技術(shù)可用于解決這一問(wèn)題。其去中心化特點(diǎn)可以實(shí)現(xiàn)醫(yī)療病歷的跨平臺(tái)查閱，同時(shí)加密技術(shù)也為患者電子病歷的安全性提供了保障，因此建立了基于區(qū)塊鏈的電子病歷系統(tǒng)。

2 設(shè)計(jì)方案

可視化聽(tīng)診與電子病歷系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)聽(tīng)診可視化以及電子病歷的書(shū)寫(xiě)和查看。可視化聽(tīng)診部分以STM32主控板、呼吸音采集模塊、脈搏采集模塊、顯示模塊、硬件濾波與放大模塊共同組成，可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集、軟硬件濾波、模數(shù)轉(zhuǎn)換、實(shí)時(shí)顯示等功能。在可視化聽(tīng)診過(guò)程中，攝像頭通過(guò)opencv實(shí)時(shí)記錄。醫(yī)生通過(guò)可視化聽(tīng)診端對(duì)病情做出判斷后，將病歷書(shū)寫(xiě)到基于javaweb的電子病歷系統(tǒng)中。該系統(tǒng)包含前端、后端與數(shù)據(jù)庫(kù)端，將用戶區(qū)分為患者與醫(yī)生，并給予不同權(quán)限實(shí)現(xiàn)不同功能。在就診完成后，患者可以通過(guò)區(qū)塊鏈的以太幣給醫(yī)院支付看病費(fèi)用。作為電子病歷系統(tǒng)的補(bǔ)充，同時(shí)設(shè)計(jì)了基于區(qū)塊鏈的電子病歷，并將其分為區(qū)塊鏈層與系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)層，通過(guò)命令行可實(shí)現(xiàn)電子病歷的基本操作。其總體框圖如圖1所示。

3 硬件設(shè)計(jì)

3.1 信號(hào)采集及顯示總體設(shè)計(jì)

信號(hào)采集及顯示部分設(shè)計(jì)思路是以STM32F103C8T6作為主控，由傳感器模塊、硬件預(yù)處理電路、硬件放大電路、顯示模塊共同組成。由呼吸音傳感器采集的呼吸音數(shù)據(jù)、脈搏傳感器采集心率數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)濾波、放大以及AD芯片進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換后進(jìn)行卡爾曼濾波、平均濾波、限幅濾波等處理，將處理完的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)在LCD顯示屏幕上顯示。信號(hào)采集即顯示部分框圖如圖2所示。

3.2 呼吸音傳感器

因?yàn)椴杉氖呛粑粜盘?hào)，對(duì)傳感器靈敏度要求高，而HKY-06F呼吸音傳感器具有高可靠性、高靈敏度、具有良好的抗噪性等特點(diǎn)，能夠采集更為微弱的信號(hào)，同時(shí)自身對(duì)信號(hào)的處理能力更強(qiáng)，更適合用來(lái)采集呼吸音，因此選用HKY-06F呼吸音傳感器。

3.3 心率傳感器

傳統(tǒng)的脈搏測(cè)量共有三種方法：心電信號(hào)提取法、壓力傳感器波動(dòng)計(jì)算法、光電容積法。心電信號(hào)提取法、壓力傳感器波動(dòng)計(jì)算法采集會(huì)限制患者活動(dòng)，患者身心的不適將因長(zhǎng)時(shí)間的使用而出現(xiàn)。相較之下，光電容積法測(cè)量脈搏其佩戴簡(jiǎn)單，因此本次設(shè)計(jì)采用了以光電容積法為基本原理的PULSE SENSOR傳感器，它是一款光電反射式模擬傳感器，通過(guò)硬件將信號(hào)放大了330倍。

3.4 信號(hào)采集與放大電路

信號(hào)放大電路如圖3所示，采用運(yùn)放差分放大電路，在輸出端連接了一個(gè)減法器以及偏置電阻將負(fù)信號(hào)拉高。運(yùn)放采用LM358芯片，該芯片是一個(gè)雙運(yùn)放芯片，可以承受3V-30V電壓，因此不需要升壓。通過(guò)第一個(gè)LM358芯片的兩個(gè)運(yùn)放，提升了信噪比。電路中的相關(guān)電阻均嚴(yán)格對(duì)稱，這使得電路對(duì)共模信號(hào)幾乎沒(méi)有放大作用，因此共模電壓增益為零。電路中R2=R3、R9=R10，兩級(jí)差模總增益為：

因?yàn)樾盘?hào)通過(guò)示波器測(cè)試幅值在50mv左右，因此對(duì)它進(jìn)行11倍放大，即選取R2=R3=50K，R1=10K。

4 軟件設(shè)計(jì)

4.1基于區(qū)塊鏈的電子病歷設(shè)計(jì)

DApp的開(kāi)發(fā)共設(shè)計(jì)有三層：用戶層、區(qū)塊鏈層以及系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)層。其設(shè)計(jì)框圖如下圖4所示。由于自身技術(shù)的限制，僅實(shí)現(xiàn)了其中區(qū)塊鏈層以及系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)層。

4.2私有鏈的建立

區(qū)塊鏈層包含用于用戶與在區(qū)塊鏈上運(yùn)行的DApp交互的代碼或機(jī)制。以太坊官方提供了兩種網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，包括主網(wǎng)絡(luò)以及測(cè)試網(wǎng)絡(luò)。測(cè)試網(wǎng)絡(luò)中又包含了Ropsten、Kovan、Rinkeby、Doerli等測(cè)試網(wǎng)絡(luò)，其網(wǎng)絡(luò)環(huán)境與主網(wǎng)絡(luò)相同，且均有大量交易信息，也有礦工進(jìn)行義務(wù)的提供挖礦服務(wù)。主網(wǎng)絡(luò)是真正有價(jià)值的以太坊網(wǎng)絡(luò)，其具有全球化的特征，是部署在Internet上的。其智能合約的代碼，區(qū)塊的產(chǎn)生等都可以清晰地查到，但速度較慢。測(cè)試網(wǎng)絡(luò)專供用戶來(lái)開(kāi)發(fā)、調(diào)試和測(cè)試使用。如果要進(jìn)行智能合約的開(kāi)發(fā)，測(cè)試網(wǎng)絡(luò)足以應(yīng)對(duì)。

本私有鏈的建立是基于以太坊最熱門(mén)的客戶端geth建立的。要運(yùn)行私有鏈，首先要定義一個(gè)自己的創(chuàng)世區(qū)塊，并寫(xiě)在一個(gè)json格式的配置文件中。其中定義有獨(dú)立的區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)ID，該ID不能為1，因?yàn)?是以太坊主網(wǎng)絡(luò)的ID號(hào)。本次的chainId設(shè)置為15。同時(shí)需要設(shè)置區(qū)塊鏈挖礦的難度，預(yù)置賬號(hào)以及賬號(hào)的以太幣數(shù)量，礦工的賬號(hào)、創(chuàng)世塊時(shí)間戳、上一個(gè)區(qū)塊的哈希值（因?yàn)槭莿?chuàng)世區(qū)塊，所以是0）以及對(duì)GAS消耗總量的限制。之后即可通過(guò)命令行啟動(dòng)私有鏈，并將其挖礦信息輸出到日志中。在自己建立的私鏈中，我們可以通過(guò)person.newAccount（“password”）來(lái)創(chuàng)建賬戶與輸入密碼，創(chuàng)建完成后將返回一個(gè)賬戶的地址?？梢酝ㄟ^(guò)getBalance接口查詢到用戶的余額。同時(shí)通過(guò)miner接口可以對(duì)礦工進(jìn)行操作，如挖礦以及挖礦停止，同時(shí)我們還可以通過(guò)miner.setEtherbase來(lái)設(shè)置挖礦的賬戶。通過(guò)eth.sendTransaction接口，可以進(jìn)行轉(zhuǎn)賬操作。但是一旦涉及轉(zhuǎn)賬操作，就需要對(duì)賬戶進(jìn)行解鎖。

4.3 區(qū)塊鏈電子病歷智能合約設(shè)計(jì)

系統(tǒng)實(shí)施層主要做的是智能合約的開(kāi)發(fā)。智能合約是DApp的重要組成部分，因?yàn)樗鼈冇糜趫?zhí)行基本操作。電子病歷智能合約中包含三個(gè)角色，患者、醫(yī)生以及醫(yī)院?；颊呖梢宰?cè)以及修改自身信息，在醫(yī)院看病時(shí)，可以給醫(yī)生授權(quán)，書(shū)寫(xiě)自己的病歷，并在看病結(jié)束后，直接通過(guò)區(qū)塊鏈以太幣進(jìn)行支付，將錢(qián)轉(zhuǎn)賬給醫(yī)院。

首先設(shè)置了兩個(gè)結(jié)構(gòu)體，患者以及醫(yī)療病歷?；颊呓Y(jié)構(gòu)體重包含用戶客戶端、全稱、年齡、密碼、性別、聯(lián)系方式等信息。

患者進(jìn)入?yún)^(qū)塊鏈后，首先注冊(cè)患者賬戶。通過(guò)web3.eth.personal.newAccount（）創(chuàng)建一個(gè)以太坊賬戶，之后通過(guò)調(diào)用智能合約中的SignupPatient注冊(cè)患者賬戶信息。輸入的信息，首先需要進(jìn)行一層驗(yàn)證，查看當(dāng)前的輸入的人是不是當(dāng)前的患者的以太坊用戶，這是因?yàn)槲覀兊囊蕴毁~戶可以同時(shí)擁有好幾個(gè)賬戶，賬戶之間可以進(jìn)行隨意的切換，如果當(dāng)前的輸入信息的賬戶不是患者的賬戶，則會(huì)報(bào)錯(cuò)并提示，如果是，則患者信息將存儲(chǔ)在患者的結(jié)構(gòu)體中。

患者注冊(cè)好信息以后，可以通過(guò)patients來(lái)進(jìn)行查詢。patients是定義的一個(gè)映射，輸入地址然后將映射到患者的結(jié)構(gòu)體中，因?yàn)樵O(shè)置為public狀態(tài)，所以solidity語(yǔ)言會(huì)自動(dòng)為該變量定義一個(gè)get函數(shù)，所以外部可以直接查看。如果患者發(fā)現(xiàn)輸入信息錯(cuò)誤，可以通過(guò)PaitentUpdate函數(shù)直接更改患者的信息。之后患者可以通過(guò)SetAdministrator賦權(quán)給醫(yī)生的賬戶，這樣通過(guò)醫(yī)生的賬戶，就可以直接對(duì)患者的病歷進(jìn)行更改了。同時(shí)患者的賬戶是無(wú)法對(duì)病歷進(jìn)行更改的。醫(yī)生獲得了修改權(quán)限以后，通過(guò)醫(yī)生自己的賬戶，就可以輸入患者的病歷?；颊叩牟v也被定義成了一個(gè)結(jié)構(gòu)體，其中包涵看病的時(shí)間，患者的癥狀以及給患者開(kāi)的藥物。醫(yī)生登錄自己賬戶后，可以通過(guò)調(diào)用MedicalReportAdd函數(shù)，輸入的信息后，首先會(huì)驗(yàn)證醫(yī)生的賬戶是否是患者給予病歷書(shū)寫(xiě)權(quán)利的人，如果是，則將輸入保存在患者病歷結(jié)構(gòu)體中，如果不是，則報(bào)錯(cuò)并提示只能有醫(yī)生才能輸入信息。之后可以通過(guò)medicalreports對(duì)病歷信息進(jìn)行輸出，醫(yī)生、患者、醫(yī)院均可以看到該信息。medicalreports與patients一樣，都是一個(gè)映射，將地址映射為患者的賬戶，通過(guò)設(shè)置為public狀態(tài)，自動(dòng)生成了get函數(shù)以便外部調(diào)用。在看病完成以后，用戶通過(guò)kill函數(shù)注銷(xiāo)本次登錄。之后患者可以通過(guò)以太幣轉(zhuǎn)賬給醫(yī)院以實(shí)現(xiàn)患者的看病費(fèi)用的支付。以太幣也是實(shí)際在國(guó)際市場(chǎng)上流通的數(shù)字貨幣，目前一個(gè)以太幣價(jià)值1200美元。可以通過(guò)sendTransaction函數(shù)來(lái)進(jìn)行轉(zhuǎn)賬操作。

5 結(jié)束語(yǔ)

基于區(qū)塊鏈的可視化聽(tīng)診與電子病歷系統(tǒng)，在功能實(shí)現(xiàn)上，設(shè)計(jì)主要包括有兩個(gè)部分，信號(hào)采集及顯示端、基于區(qū)塊鏈的電子病歷端。采用可視化聽(tīng)診，采集呼吸音信號(hào)以及心率信號(hào)，并對(duì)其進(jìn)行可視化，安全、可靠、便攜、性價(jià)比高，能夠減少醫(yī)生的主觀因素影響。基于區(qū)塊鏈的電子病歷設(shè)計(jì)解決了因不同醫(yī)院醫(yī)療系統(tǒng)不同，患者跨院診斷后數(shù)據(jù)無(wú)法進(jìn)行查閱的情況，其具有維護(hù)成本低、義務(wù)連續(xù)性高等特點(diǎn)，同時(shí)可以保護(hù)患者隱私不被泄露。

參考文獻(xiàn)：

[1] 郭俊飛.基于STM32的可視化呼吸音聽(tīng)診系統(tǒng)開(kāi)發(fā)[D].大連：大連理工大學(xué)，2018.

[2] Technology - Blockchain Technology; Study Data from National University of Science and Technology Update Understanding of Blockchain Technology （Using Blockchain for Electronic Health Records）.2020.

[3] 歐秀芳.區(qū)塊鏈技術(shù)在醫(yī)藥領(lǐng)域的應(yīng)用分析[J].中國(guó)市場(chǎng)，2020（27）：166-167.

[4] 韋智勇，周立廣.基于區(qū)塊鏈的電子病歷存證系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].軟件工程，2020，23（9）：56-58.

[5] 余海波.基于區(qū)塊鏈的數(shù)據(jù)分布式存儲(chǔ)安全機(jī)制研究[D].上海：華東師范大學(xué)，2020.

[6] 施劍鋒.心音呼吸音可視電子聽(tīng)診系統(tǒng)[D].杭州：浙江大學(xué)，2007.

[7] 汪昱卿. 基于MVC的醫(yī)院信息管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)[D].上海：復(fù)旦大學(xué)，2012.

[8] Bijon Kumar Pramanik.Blockchain-based Application of Reward Point Exchange[D].北京：中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（北京），2019.

[9] Zhou L，F(xiàn)u A M，Mu Y，et al.Multicopy provable data possession scheme supporting data dynamics for cloud-based Electronic Medical Record system[J].Information Sciences，2021，545：254-276.

[10] 吉文帥，孫華妤.基于GIS的電子病例管理系統(tǒng)研究[J].信息技術(shù)與信息化，2016（11）：82-83，86.

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