面向醫(yī)療樣品跟蹤系統(tǒng)的智能合約設(shè)計(jì)與部署

王越，李國(guó)，葉珉銓，陳子鑫，王譯正

（1. 中國(guó)民航大學(xué) 理學(xué)院，天津 300300；2. 中國(guó)民航大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，天津 300300；3. 中國(guó)民航大學(xué) 空中交通管理學(xué)院 天津 300300）

0 引 言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)水平和科學(xué)技術(shù)的持續(xù)增長(zhǎng)，我國(guó)人民的醫(yī)療水平也不斷提高，醫(yī)療樣品在整個(gè)醫(yī)療體系中的使用率也不斷地提高。由于相關(guān)系統(tǒng)和制度規(guī)劃的完整性不高，所以醫(yī)療樣品在運(yùn)輸過(guò)程中的安全性和真實(shí)性存在一定的風(fēng)險(xiǎn)，保證醫(yī)療樣品在整個(gè)運(yùn)輸過(guò)程中的安全性也變得越來(lái)越重要。

通過(guò)醫(yī)療樣品的跟蹤可以了解到不同型號(hào)、不同種類、不同標(biāo)號(hào)的樣品經(jīng)過(guò)的醫(yī)院或防疫站、檢查站的詳細(xì)路徑信息以及單個(gè)樣品的詳細(xì)說(shuō)明信息。但使用中心化數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)，很難保證醫(yī)療樣品跟蹤時(shí)信息不被篡改、能夠溯源等方面的問(wèn)題，所以針對(duì)醫(yī)療樣品的跟蹤時(shí)，使用有著去中心化、不可篡改、可溯源、增強(qiáng)信用等特征的區(qū)塊鏈技術(shù)就顯得十分重要。

1 系統(tǒng)分析

系統(tǒng)的需求分析是項(xiàng)目開(kāi)發(fā)規(guī)范中軟件定義的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，同時(shí)也是該系統(tǒng)軟件生存周期中的必要途徑。該階段首先站在用戶角度來(lái)全面客觀的了解該系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)的功能，以及用戶可能遇到的系統(tǒng)問(wèn)題。通過(guò)需求分析把用戶的要求理解的更加準(zhǔn)確、清晰和完整。系統(tǒng)需求分析清楚之后，就能夠更加快速、高效地實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的相應(yīng)功能。

1.1 系統(tǒng)功能需求點(diǎn)

登錄系統(tǒng)的賬戶為區(qū)塊鏈私鏈所創(chuàng)建的賬戶，每個(gè)賬戶都可以進(jìn)行以下操作：

（1）醫(yī)療樣品入站操作管理：可以填入樣品的相關(guān)信息，即可實(shí)現(xiàn)樣品的入站操作。（2）主界面查看所有賬戶中未隱藏的樣品信息：每一條在主界面的樣品信息都能點(diǎn)擊“查看詳情”，了解其樣品名稱、發(fā)起地址、入站時(shí)間、當(dāng)前狀態(tài)、樣品介紹。（3）本站樣品分出已進(jìn)站及已出站的樣品信息：登錄之后，可以點(diǎn)擊“本站樣品”，查看已進(jìn)站及已出站的兩欄信息。（4）本站樣品執(zhí)行出站、解除隱藏功能：在本站樣品界面點(diǎn)擊已入站的樣品信息中的“查看詳情”，對(duì)于狀態(tài)為“已進(jìn)站”的樣品可以進(jìn)行出站操作，對(duì)于隱藏狀態(tài)為“true”的樣品可以進(jìn)行解除隱藏操作。（5）查詢界面實(shí)現(xiàn)樣品查詢功能：可以通過(guò)樣品 ID 或者賬戶地址進(jìn)行查找相對(duì)應(yīng)的樣品信息。（6）查看本站個(gè)人信息：可以對(duì)本站信息有個(gè)大致預(yù)覽，了解本站的相關(guān)信息。（7）查看本站入站/出站、隱藏/未隱藏的樣品數(shù)量：可以在個(gè)人信息界面直觀地了解到入站/出站、隱藏/未隱藏的樣品數(shù)量。（8）修改本站相關(guān)信息的功能：通過(guò)填入需要修改的站點(diǎn)信息，完成對(duì)本站點(diǎn)信息的更改。

1.2 功能模塊分析

系統(tǒng)功能主要分為：展示未隱藏樣品信息、樣品入站操作、本站樣品顯示、樣品出站、解除隱藏、樣品查詢、站點(diǎn)信息展示、站點(diǎn)信息修改八個(gè)大功能模塊，如圖1所示。

圖1 功能模塊圖

各個(gè)功能模塊的描述：

（1）展示未隱藏樣品信息模塊。此功能模塊位于主界面“所有樣品”中，展示所有賬戶里未隱藏的部分站點(diǎn)信息，包括：樣品名稱、ID、入站出站時(shí)間、當(dāng)前狀態(tài)、查看詳情按鈕。點(diǎn)擊“查看詳情”可以跳轉(zhuǎn)至該樣品的詳細(xì)信息界面。

（2）樣品入站操作模塊。此功能模塊位于主界面“所有樣品”中，通過(guò)點(diǎn)擊“樣品入站”按鈕，填入相應(yīng)信息即可完成入站操作，填入的樣品信息包括樣品名稱、樣品ID、樣品介紹、是否隱藏（即是否允許入站的樣品被所有人看到）、入站時(shí)間。

（3）本站樣品顯示模塊。此功能模塊分為兩個(gè)欄目：1)已入站的樣品信息；2)已出站的樣品信息。每個(gè)欄目都包括部分樣品信息：樣品名稱、ID、入站出站時(shí)間、當(dāng)前狀態(tài)、查看詳情按鈕。

（4）樣品出站模塊。此功能模塊為針對(duì)已入站的醫(yī)療樣品，點(diǎn)擊已入站的樣品最后的“查看詳情”按鈕，進(jìn)入之后可以通過(guò)按鈕實(shí)現(xiàn)該樣品的出站操作，同時(shí)更改樣品狀態(tài)。

（5）解除隱藏模塊。此功能模塊為針對(duì)隱藏的醫(yī)療樣品，點(diǎn)擊隱藏的樣品最后的“查看詳情”按鈕，進(jìn)入之后可以通過(guò)按鈕實(shí)現(xiàn)該樣品的解除隱藏操作，同時(shí)更改樣品狀態(tài)。

（6）樣品查詢模塊。此功能模塊為通過(guò)輸入需要查詢的樣品 ID 或賬戶地址，點(diǎn)擊“查詢按鈕”，即可獲得符合查詢條件的樣品信息。

（7）站點(diǎn)信息展示模塊。此功能模塊為展示本站的部分重要信息，其中包括：站點(diǎn)名稱、站點(diǎn)地址、站點(diǎn)簡(jiǎn)介、站點(diǎn)等級(jí)、入站數(shù)量、出站數(shù)量、隱藏?cái)?shù)量、未隱藏?cái)?shù)量。其中站點(diǎn)名稱、站點(diǎn)簡(jiǎn)介、站點(diǎn)等級(jí)可以通過(guò)下個(gè)功能來(lái)進(jìn)行修改操作。

（8）站點(diǎn)信息修改模塊。此功能模塊為修改站點(diǎn)信息，點(diǎn)擊“修改信息”按鈕，填入需要修改的站點(diǎn)信息，點(diǎn)擊確定即可實(shí)現(xiàn)站點(diǎn)信息修改功能。

2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

2.1 以太坊與solidity

目前公認(rèn)的區(qū)塊鏈公共平臺(tái)主要有以太坊和超級(jí)賬本兩種，都是開(kāi)源且具有智能合約功能。以太坊的概念在2013到2014年之間提出，并在2014年通過(guò)ico眾籌后得到巨大的發(fā)展，在2018年后，成了市值第二高的加密貨幣，僅次于以太幣。其設(shè)計(jì)原則為簡(jiǎn)潔、通用、模塊化、無(wú)歧視，更好地解決初代貨幣擴(kuò)展性不足的問(wèn)題。醫(yī)療樣品跟蹤系統(tǒng)采用的是以太坊平臺(tái)，使用其自身加密貨幣以太幣提供的去中心化以太虛擬機(jī)來(lái)處理結(jié)點(diǎn)之間的合約。

Solidity是專門用來(lái)編寫智能合約的高級(jí)程序語(yǔ)言，結(jié)合了 c++、 python、JavaScript等編程語(yǔ)言的優(yōu)點(diǎn)，能夠更好地適應(yīng)以太坊虛擬機(jī)上運(yùn)行。Solidity是一門靜態(tài)語(yǔ)言，能夠支持繼承、庫(kù)和復(fù)雜用戶定義類型等特點(diǎn)，大大提高了區(qū)塊鏈對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)的處理能力。

2.2 智能合約設(shè)計(jì)

2.2.1 醫(yī)療樣品信息智能合約設(shè)計(jì)

通過(guò)對(duì)系統(tǒng)的分析的出需要設(shè)計(jì)兩種存儲(chǔ)信息結(jié)構(gòu)體，來(lái)滿足醫(yī)療樣品跟蹤系統(tǒng)數(shù)據(jù)的完整性。醫(yī)療樣品信息可以與流向信息公用，具體定義如表1所示。

表 1 醫(yī)療樣品信息數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)表

站點(diǎn)用戶信息具有對(duì)該站點(diǎn)進(jìn)行介紹的作用，在整個(gè)系統(tǒng)中也是必不可少的，具體定義如表2所示。

表2 站點(diǎn)信息數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)表

在組織上需要將每個(gè)站點(diǎn)的所有醫(yī)療信息組織起來(lái)，這里使用了solidity中的特殊類型mapping（A≥B），具有從A映射到B的邏輯功能。所以在系統(tǒng)中，使用了一個(gè)mapping變量，使每一個(gè)樣品信息都對(duì)應(yīng)一個(gè)阿拉伯?dāng)?shù)字，類似于java中的hasmap的作用。在尋找信息時(shí)，我們就可以通過(guò)遍歷的方式將所有的醫(yī)療樣品信息查詢出來(lái)。

所以還需要設(shè)計(jì)一個(gè)變量來(lái)記錄醫(yī)療樣品的數(shù)量，來(lái)保證我們可以統(tǒng)計(jì)到所有的醫(yī)療樣品。

2.2.2 醫(yī)療樣品操作信息智能合約設(shè)計(jì)

系統(tǒng)在實(shí)際使用中需要實(shí)現(xiàn)信息入庫(kù)、出庫(kù)、特殊信息隱藏、醫(yī)療樣品信息查詢以及站點(diǎn)信息維護(hù)等多種功能。智能合約功能主要通過(guò)solidity語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)，包括接口定義和接口實(shí)現(xiàn)，以下各種接口都是由調(diào)用函數(shù)名稱和調(diào)用函數(shù)參數(shù)組成，在進(jìn)行操作時(shí)，調(diào)用對(duì)應(yīng)函數(shù)為相關(guān)結(jié)構(gòu)體的不同關(guān)鍵字段賦值，實(shí)現(xiàn)了信息上傳到區(qū)塊鏈的過(guò)程。

（1）醫(yī)療樣品信息入庫(kù)實(shí)現(xiàn)，在發(fā)布醫(yī)療樣品相關(guān)信息時(shí)，前端通過(guò)web3調(diào)用該智能合約函數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)信息入庫(kù)，并為不同字段賦值，入庫(kù)時(shí)需要進(jìn)行時(shí)間檢查，保證入庫(kù)時(shí)間為當(dāng)前時(shí)間，否則無(wú)法入庫(kù)，保證了信息時(shí)間的真實(shí)性。如圖2所示。

圖2 醫(yī)療樣品信息入站接口實(shí)現(xiàn)

（2）醫(yī)療樣品信息出庫(kù)功能，在信息入庫(kù)時(shí)，有一個(gè)入庫(kù)狀態(tài) 的關(guān)鍵字，入庫(kù)時(shí)設(shè)置為false，一鍵出庫(kù)調(diào)用一個(gè)智能合約函數(shù)，將該樣品在映射中的鍵值傳入，尋找到該樣品信息即可修改該關(guān)鍵字實(shí)現(xiàn)出庫(kù)功能。如圖3所示。

圖3 醫(yī)療樣品信息出庫(kù)接口實(shí)現(xiàn)

（3）解除信息隱藏功能。在信息入庫(kù)時(shí)可以選擇是否隱藏該信息。隱藏信息后。結(jié)合實(shí)際應(yīng)用情況，可能會(huì)出現(xiàn)隱藏信息公開(kāi)的情況，所以增加了這個(gè)功能，修改對(duì)應(yīng)關(guān)鍵字后，在前端使用Web3調(diào)用時(shí)即可對(duì)該信息進(jìn)行隱藏如圖4所示。

圖4 樣品信息取消隱藏接口實(shí)現(xiàn)

（4）樣品信息查詢功能，接口中的參數(shù)為樣品id，查詢時(shí)輸入id號(hào)即可。該接口會(huì)將滿足所有查詢條件的醫(yī)療樣品信息返回到Web端。接口參數(shù)包括樣品id和賬戶地址如圖5所示。

圖5 醫(yī)療信息查詢接口

（5）站點(diǎn)信息編輯功能，每個(gè)賬戶可以對(duì)信息進(jìn)行編輯并上傳到區(qū)塊鏈中。Web調(diào)用智能合約將對(duì)應(yīng)參數(shù)傳入，并賦值給對(duì)應(yīng)結(jié)構(gòu)體。如圖6所示。

圖6 站點(diǎn)信息修改接口

2.2.3 智能合約測(cè)試開(kāi)發(fā)環(huán)境

項(xiàng)目測(cè)試開(kāi)發(fā)環(huán)境為以太坊，通過(guò)安裝以太坊環(huán)境，可以通過(guò)Remix部署運(yùn)行智能樣品信息取消隱藏接口實(shí)現(xiàn)合約，并對(duì)該合約進(jìn)行測(cè)試。

（1）安裝從golang官網(wǎng)下載安裝go環(huán)境，并配置環(huán)境變量。以太坊由go語(yǔ)言開(kāi)發(fā)而成。

（2）安裝geth環(huán)境，下載geth源碼文件并解壓，隨后配置環(huán)境變量。

（3）創(chuàng)建創(chuàng)世塊鏈并運(yùn)行節(jié)點(diǎn)。在官網(wǎng)下載創(chuàng)世塊文件源碼文件，通過(guò)配置文件中的 不同參數(shù)來(lái)選擇區(qū)塊鏈的配置，挖礦的難易程度、網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)id，以及時(shí)間戳等。

（4）創(chuàng)建賬戶并挖礦，運(yùn)行該以太坊。通過(guò)網(wǎng)頁(yè)版remix編譯環(huán)境對(duì)寫好的智能合約在該環(huán)境下進(jìn)行編譯測(cè)試。

2.2.4 智能合約部署

只有將智能合約部署到區(qū)塊鏈上，才可以執(zhí)行。本系統(tǒng)利用truffle框架將智能合約部署到ganache創(chuàng)建的本地私鏈上。創(chuàng)建項(xiàng)目文件夾進(jìn)行操作。在控制臺(tái)文件夾下執(zhí)行truffle init初始化項(xiàng)目配置后開(kāi)始部署操作。

首先在contract目錄中新建sol文件，用來(lái)保存編寫好的智能合約，隨后進(jìn)入到migrations目錄下，新建一個(gè)js文件來(lái)配置項(xiàng)目，通過(guò)artifacts.require來(lái)確定哪些合約要部署到truffle框架中，并返回一個(gè)對(duì)象，為后面的操作使用。

第二步需要配置項(xiàng)目目錄下的truffle-config.js文件，來(lái)確定配置部署網(wǎng)絡(luò)和監(jiān)聽(tīng)端口。配置后使用ganache打開(kāi)該文件。

通過(guò)以上兩步操作就完成了框架使用的條件。之后在項(xiàng)目文件下使用 truffle compile編譯文件，可以檢查智能合約中的錯(cuò)誤，防止無(wú)法運(yùn)行的智能合約部署到區(qū)塊鏈上。

編譯完成之后執(zhí)行truffle migrate命令，就可以將智能合約部署到區(qū)塊鏈上。使用框架將智能合約部署完成后，就可以使用ganache對(duì)鏈上的信息進(jìn)行操作和觀察。

3 系統(tǒng)展示

3.1 頁(yè)面整體框架

所有頁(yè)面都是設(shè)計(jì)成為上下兩層樣式，主要包括頂部的導(dǎo)航按鈕及登錄按鈕，以及中間部分的頁(yè)面展示詳情頁(yè)，如圖7所示。導(dǎo)航按鈕分為四項(xiàng)：“所有樣品”“本站樣品”“查詢”“個(gè)人信息”：

圖7 導(dǎo)航及登錄界面

（1）“所有樣品”：在頁(yè)面中間部分展示所有區(qū)塊鏈賬戶未隱藏的醫(yī)療樣品信息，同時(shí)每條樣品信息都能點(diǎn)擊最后一項(xiàng)的“查看詳情”獲取更多的樣品信息。

（2）“本站樣品”：需在登錄后，才能看到樣品數(shù)據(jù)，頁(yè)面分為兩欄，一欄為“已入站的樣品信息”，入站狀態(tài)為已入站的樣品顯示在該欄目中；另一欄為“已出站的樣品信息”，入站狀態(tài)為已出站的樣品顯示在該欄目中。

（3）“查詢”：點(diǎn)擊查詢按鈕，輸入需要查詢樣品的關(guān)鍵信息即可獲取與之匹配的樣品信息。

（4）“個(gè)人信息”：在頁(yè)面中能夠看到站點(diǎn)的詳細(xì)信息，包括站點(diǎn)名稱、站點(diǎn)地址、站點(diǎn)簡(jiǎn)介、站點(diǎn)等級(jí)、入站數(shù)量、出站數(shù)量、隱藏?cái)?shù)量、未隱藏?cái)?shù)量。

3.2 實(shí)現(xiàn)樣品入站

前端界面先通過(guò)登錄成功，在賬戶地址認(rèn)證欄中顯示當(dāng)前區(qū)塊鏈賬戶進(jìn)入“所有樣品”界面，點(diǎn)擊“樣品入站”按鈕，彈出入站樣品信息輸入框，彈出框的名稱為“入 站登記”，如圖8所示。此彈框在輸入所有樣品信息后，點(diǎn)擊“入站”確定按鈕，將調(diào)用交互文件 中的新創(chuàng)建樣品信息newFunding方法。需要填寫的樣品信息為發(fā)起地址（當(dāng)前登錄的賬戶地址，不可修改），樣品名稱，樣品 ID，樣品介紹，是否隱藏（為選擇項(xiàng)， 包括“true”和“false”），入站時(shí)間（可點(diǎn)擊日歷控件按鈕，選擇日歷上的時(shí)間作為醫(yī)療樣品入站時(shí)間）。

圖8 樣品入站彈出框

3.3 本站樣品界面

點(diǎn)擊導(dǎo)航欄的“本站樣品”鏈接，可以清晰地看到上下兩欄樣品界面，上一欄是本站已入站的樣品信息，狀態(tài)都是“已入站”；下一欄是本站已出站的樣品信息，狀態(tài)為“已出站”。在該界面代碼的編寫中，使用了通過(guò)樣品入站/出站狀態(tài)來(lái)劃分道不同結(jié)果集的getMyFunding 函數(shù)方法。每條樣品信息后都有“查看詳情”按鈕，可以進(jìn)一步查看樣品詳細(xì)信息介紹，也可以對(duì)入站的樣品進(jìn)行出站操作，或?qū)﹄[藏的樣品進(jìn)行解除隱藏操作。

4 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)傳統(tǒng)醫(yī)療樣品信息系統(tǒng)進(jìn)行分析，找出其中存在的關(guān)鍵性問(wèn)題。醫(yī)療樣品跟蹤系統(tǒng)的主要功能是實(shí)現(xiàn)可追溯性，從而保證信息的安全可靠，醫(yī)療站點(diǎn)可以通過(guò)訪問(wèn)區(qū)塊鏈上的信息來(lái)跟蹤醫(yī)療樣品的真實(shí)性。利用區(qū)塊鏈不可篡改信息的特點(diǎn)，來(lái)解決系統(tǒng)中存在的不足。同時(shí)根據(jù)分析結(jié)果，設(shè)計(jì)了對(duì)應(yīng)的智能合約，并將其部署到區(qū)塊鏈上。系統(tǒng)部署到運(yùn)行整個(gè)過(guò)程包括區(qū)塊鏈搭建、智能合約編寫、智能合約部署。具體工作為：

（1）基于醫(yī)療樣品跟蹤系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀。利用區(qū)塊鏈的特殊優(yōu)勢(shì)，發(fā)展了以區(qū)塊鏈技術(shù)為基礎(chǔ)的跟蹤系統(tǒng)。有效地解決了醫(yī)療樣品跟蹤系統(tǒng)中存在的信息共享難、中心化嚴(yán)重、信息追溯難等問(wèn)題。

（2）具體分析了醫(yī)療樣品跟蹤系統(tǒng)架構(gòu)，詳細(xì)分析了該系統(tǒng)中數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、功能需求，并完成智能合約的編寫，使用remix編譯器基于以太坊平臺(tái)對(duì)部署的智能合約進(jìn)行多種測(cè)試。

（3）結(jié)合最新的環(huán)境，使用了truffle框架在ganache上搭建區(qū)塊鏈運(yùn)行環(huán)境， 簡(jiǎn)化了開(kāi)發(fā)過(guò)程中重復(fù)進(jìn)行環(huán)境搭建過(guò)程，系統(tǒng)試錯(cuò)成本低，方便數(shù)據(jù)測(cè)試。保證了整個(gè)開(kāi)發(fā)過(guò)程高效、快捷。