區(qū)塊鏈技術(shù)在藥品溯源上的應(yīng)用研究

◆封 嘯 孫天凱 郭 旭 李 巍 周曉凡

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區(qū)塊鏈技術(shù)在藥品溯源上的應(yīng)用研究

◆封 嘯 孫天凱 郭 旭 李 巍 周曉凡

(徐州工程學(xué)院信電學(xué)院 江蘇 221018)

本文利用區(qū)塊鏈技術(shù)解決醫(yī)療領(lǐng)域藥品溯源存在的問題。通過制造、運(yùn)輸、銷售三方進(jìn)行藥品信息采集，借助分布式賬本、智能合約、共識機(jī)制等技術(shù)將數(shù)據(jù)寫入?yún)^(qū)塊鏈以保證藥品信息不可篡改，供消費(fèi)者、質(zhì)檢機(jī)構(gòu)及監(jiān)管方完成藥品溯源。利用區(qū)塊鏈的弱中心化、共同維護(hù)、不可篡改等特點建立藥品從生產(chǎn)、流通到消費(fèi)等環(huán)節(jié)的信息可溯源體系?；趨^(qū)塊鏈的藥品溯源系統(tǒng)的設(shè)計完成，為藥品安全提供保障的同時，也在很大程度上打擊了藥品行業(yè)的制假販假行為。

藥品溯源；區(qū)塊鏈；分布式賬本；共識機(jī)制

0 引言

區(qū)塊鏈源自比特幣(Bitcoin)的底層技術(shù)，2008年化名為“中本聰”(Satoshi Nakamoto)的學(xué)者提出了一種被稱為比特幣的數(shù)字貨幣，在沒有任何權(quán)威中介機(jī)構(gòu)統(tǒng)籌的情況下，互不信任的人可以直接用比特幣進(jìn)行支付[1]。2013年12月，Buterin提出了以太坊(Ethereum)區(qū)塊鏈平臺，除了可基于內(nèi)置的以太幣(Ether)實現(xiàn)數(shù)字貨幣交易外，還提供了圖靈完備的編程語言以編寫智能合約(smart contract)，從而首次將智能合約應(yīng)用到了區(qū)塊鏈[2]。用戶可將Smart Contract看作以太坊網(wǎng)絡(luò)里的自動代理人，并通過它來開發(fā)出各類DApp。2015年12月，Linux基金會發(fā)起了Hyperledger開源區(qū)塊鏈項目，旨在發(fā)展跨行業(yè)的商業(yè)區(qū)塊鏈平臺。Hyperledger提供了Fabric、Sawtooth、Iroha和urrow等多個區(qū)塊鏈項目，其中最受關(guān)注的項目是Fabric。不同于比特幣和以太坊, Hyperledge Fabric專門針對企業(yè)級的區(qū)塊鏈應(yīng)用而設(shè)計，并引入了成員管理服務(wù)[3]。Hyperledger的應(yīng)用場景非常廣泛，因其可以創(chuàng)建私有鏈、聯(lián)盟鏈，甚至公有鏈，所以在任何行業(yè)、任何領(lǐng)域都能找到可以落地的解決方案。本文將以Hyperledger Fabric作為技術(shù)框架，利用區(qū)塊鏈的不可篡改、可追溯、分布式、共識機(jī)制等特點討論其在醫(yī)療領(lǐng)域中藥品溯源上的應(yīng)用。

1 醫(yī)療領(lǐng)域藥品安全問題

近些年藥品安全事件頻發(fā)，如2009年的青海雙黃連事件、2011年的湖北假藥案、2016年山東疫苗造假事件以及2018年轟動全國的“長生生物”疫苗造假事件，這些事件一次次將公眾的恐慌與憤怒推向新的高點。受到銷售假藥所產(chǎn)生的暴利誘惑，企業(yè)或個人從事醫(yī)藥產(chǎn)品行業(yè)造假售假的現(xiàn)象有愈演愈烈的趨勢，并且從未得到過根本性的解決，人們的生命健康時刻都有遭受假藥侵害的風(fēng)險，所以打擊假冒偽劣商品的行為已經(jīng)刻不容緩。而區(qū)塊鏈用于商品溯源，其打擊假冒偽劣商品的能力已為大家所熟知。那么，在醫(yī)藥行業(yè)，區(qū)塊鏈的加持是否可以就防止人們生命健康遭受假藥的侵害起到不凡的效果呢？

假如開發(fā)一套基于區(qū)塊鏈的藥品溯源系統(tǒng)，每一個按時間標(biāo)記的交易都將被自動復(fù)制到區(qū)塊鏈上且不能修改，供應(yīng)鏈上所有的合作伙伴都知道這一事實，這使協(xié)作各方都能輕松的核實信息來源。區(qū)塊鏈不可篡改的特點，既保證了數(shù)據(jù)的真實性，又確保了數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩?，同時也可達(dá)到降低成本的效果。藥品制造商、批發(fā)商、終端銷售通過使用藥品溯源系統(tǒng)在審計和跟蹤庫存上實現(xiàn)信息公開透明，確保藥品安全，這使得假藥進(jìn)入醫(yī)療市場變得難如登天。而在系統(tǒng)用戶的需求方面，供應(yīng)鏈可見性是各方共同的需求，該技術(shù)能很好監(jiān)控藥品從生產(chǎn)到運(yùn)輸再到銷售的全過程。區(qū)塊鏈的公開和不可篡改的屬性，讓藥品溯源看到了更好的出路。因此借助區(qū)塊鏈技術(shù)可幫助解決醫(yī)療數(shù)據(jù)存儲集中、安全共享難、數(shù)據(jù)可信度過度依賴組織機(jī)構(gòu)等問題，實現(xiàn)了去中心化、安全、不可篡改的醫(yī)療數(shù)據(jù)分享[4]。

2 基于區(qū)塊鏈的藥品溯源系統(tǒng)構(gòu)建方案

2.1 系統(tǒng)存儲設(shè)計

本系統(tǒng)將藥品從生產(chǎn)到運(yùn)輸再到銷售各環(huán)節(jié)關(guān)鍵信息進(jìn)行分類。

（1）藥品生產(chǎn)信息：唯一識別碼、名稱、規(guī)格、生產(chǎn)日期、保質(zhì)期、產(chǎn)品批次號、生產(chǎn)許可證編號、生產(chǎn)廠商名稱、生產(chǎn)所在地、出廠價格；

（2）藥品成分信息：唯一識別碼、成分ID、成分名稱；

（3）藥品中轉(zhuǎn)信息：唯一識別碼、出發(fā)時間、到達(dá)時間、儲存/運(yùn)輸、出發(fā)地、目的地、銷售商、存儲時間、運(yùn)送方式、物流公司名稱、中轉(zhuǎn)費(fèi)用。

經(jīng)過上述分類后，使用區(qū)塊鏈系統(tǒng)對藥品相關(guān)信息進(jìn)行溯源，不僅方便質(zhì)檢機(jī)構(gòu)對藥品生產(chǎn)信息進(jìn)行檢驗，還為消費(fèi)者提供透明、放心的藥品詳細(xì)信息，同時也為監(jiān)管部門提供了審查所需的依據(jù)。

2.2 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計與分析

藥品溯源系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計如圖1所示。

圖1 藥品溯源系統(tǒng)架構(gòu)

本溯源系統(tǒng)共分為六層架構(gòu)三大模塊，各個模塊之間采用不同的API，交互模塊采用Node.js SDK、核心模塊與基礎(chǔ)模塊之間采用了GRPC接口。各層次功能如下:

（1）數(shù)據(jù)層：以CouchDB作為分布式共享賬本存儲系統(tǒng)，將藥品的生產(chǎn)信息、成分信息、中轉(zhuǎn)信息以JSON格式存入系統(tǒng)，借助其原生的JSON和字節(jié)數(shù)組的操作，完成復(fù)雜的業(yè)務(wù)查詢。同時在安全的容器中對藥品信息進(jìn)行存取，通過安全和密碼服務(wù)實現(xiàn)藥品信息的不可篡改，上層通過API完成對賬本數(shù)據(jù)與狀態(tài)數(shù)據(jù)庫的維護(hù)。

（2）網(wǎng)絡(luò)層：該層基于Gossip協(xié)議對藥品溯源系統(tǒng)的賬本信息、狀態(tài)信息、成員信息等數(shù)據(jù)進(jìn)行P2P分發(fā)。通過Gossip將排序服務(wù)與Peer節(jié)點連接，高效完成從一個源節(jié)點至所有節(jié)點的數(shù)據(jù)分發(fā)同步的任務(wù)。利用MSP完成對成員信息的管理及維護(hù)，并確定成員處于正常狀態(tài)或是故障狀態(tài)。

（3）共識層:系統(tǒng)根據(jù)指定的背書策略向背書節(jié)點發(fā)送交易提案，并通過模擬執(zhí)行將結(jié)果運(yùn)用ESCC進(jìn)行數(shù)字簽名并返還至應(yīng)用程序。應(yīng)用程序確認(rèn)所有背書節(jié)點的執(zhí)行結(jié)果完全一致后，將交易提案、提案響應(yīng)和背書簽名進(jìn)行打包，生成交易廣播給排序節(jié)點。排序節(jié)點采用Kafca流式服務(wù)將交易放入消息隊列，按照交易順序?qū)⒔灰状虬蓞^(qū)塊，廣播發(fā)送給Peer節(jié)點驗證交易的有效性。

（4）合約層:通過Chaincode實現(xiàn)智能合約，包括藥品背書、發(fā)起藥品成分信息背書、中轉(zhuǎn)信息背書以及藥品信息查詢、成分信息查詢、中轉(zhuǎn)信息查詢等業(yè)務(wù)邏輯。

（5）業(yè)務(wù)層：通過RESTful接口完成對前端部分的業(yè)務(wù)處理。后端部分完成用戶管理和藥品管理，借助Hyperledger Fabric提供的Node.js SDK和區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信。同時業(yè)務(wù)層也可以與其他的業(yè)務(wù)系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。

（6）應(yīng)用層：該層以HTML、CSS、Angular.js作為前端框架，為用戶提供頁面交互操作，其中包含用戶操作和業(yè)務(wù)操作。用戶部分是底層內(nèi)置完成的，僅為用戶提供登錄和退出的操作。業(yè)務(wù)部分包括生產(chǎn)者完成藥品信息發(fā)布、成分信息寫入、藥品中轉(zhuǎn)信息更新；消費(fèi)者、質(zhì)檢機(jī)構(gòu)以及監(jiān)管方實現(xiàn)藥品信息的查詢與審校等功能。

3 藥品溯源實現(xiàn)

首先，藥品生產(chǎn)商、物流機(jī)構(gòu)、銷售商發(fā)起藥品信息交易提案，待交易信息確認(rèn)后，藥品相關(guān)數(shù)據(jù)被存入?yún)^(qū)塊鏈中，系統(tǒng)對各參與方節(jié)點進(jìn)行數(shù)據(jù)同步。然后，消費(fèi)者、質(zhì)檢機(jī)構(gòu)、監(jiān)管方可根據(jù)藥品唯一識別碼對藥品整個供應(yīng)鏈信息進(jìn)行查驗真?zhèn)喂ぷ?。詳?xì)藥品溯源信息如下：

（1）查詢藥品基本信息。如圖2所示，通過藥品唯一識別碼可查詢出藥品的名稱、規(guī)格、生產(chǎn)日期、保質(zhì)期、批次號、生產(chǎn)許可證編號、生產(chǎn)商名稱、出廠價格、生產(chǎn)所在地等信息。

圖2 藥品生產(chǎn)信息

（2）查詢藥品成分信息。如圖3所示，依據(jù)藥品唯一識別碼可查詢出成分ID以及對應(yīng)的成分詳情。

圖3 藥品成分信息

（3）查詢藥品中轉(zhuǎn)信息。如圖4所示，通過藥品唯一識別碼查詢出藥品出發(fā)時間、到達(dá)時間、儲存或運(yùn)輸、出發(fā)地、目的地、銷售商、存儲時間、運(yùn)送方式、物流公司名稱、費(fèi)用等信息。

圖4 藥品中轉(zhuǎn)信息

4 結(jié)論

本文根據(jù)醫(yī)療領(lǐng)域藥品溯源存在的諸多問題，引入?yún)^(qū)塊鏈領(lǐng)域Hyperledger Fabric框架構(gòu)建藥品溯源系統(tǒng)。藥品供應(yīng)鏈上的特定相關(guān)方通過系統(tǒng)完成藥品信息的登記，并能對產(chǎn)生的藥品信息進(jìn)行跟蹤審計，有效避免了傳統(tǒng)溯源系統(tǒng)存在的成本高昂、效率低下、數(shù)據(jù)造假等問題。文中所提出的藥品溯源解決方案在應(yīng)用場景中仍有不足，將在以后的研究工作中進(jìn)一步改進(jìn)與完善。

[1]Nakamoto S.Bitcoin:A peer-to-peer electronic cash sys-tem[J].White Paper, 2008.

[2]Buterin V.A next-generation smart contract and decent-ralized application platform[J].White Paper,2016.

[3]Cachin C.Architecture of the hyperledger blockchain f-abric//Proceedings of the Workshop on Distributed Cryptocur-rencies and Consensus Ledgers (DCCL).Chicago,USA,2016.

[4]薛騰飛,傅群超,王樅,王新宴.基于區(qū)塊鏈的醫(yī)療數(shù)據(jù)共享模型研究[J].自動化學(xué)報, 2017, 43(9): 1555?1562.

江蘇省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目（201811998049X）。