一种基于博弈论的区块链医疗数据共享激励方法与流程

1.本发明涉及区块链技术领域，特别是指一种基于博弈论的区块链医疗数据共享激励方法。


背景技术：

2.医疗健康服务系统主要对病人的电子医疗记录进行收集和管理，当前每个不同的医疗机构都拥有各自独立的医疗健康服务系统平台，并存储和管理各自的电子医疗记录数据，由于不同医疗机构的各自利益和相互之间的竞争，电子医疗记录数据的跨机构共享能力非常受限。电子医疗记录包含病人、医生和医疗机构等的敏感信息，传统的医疗健康服务系统由于中心化的存储和管理模式，容易造成用户隐私泄露、emr数据丢失或被篡改、数据孤岛等问题。为了突破当前医疗健康服务系统中数据共享的局限性，迫切需要寻找一种技术来促进不同医疗机构之间的合作，并在彼此之间建立深度互信。近年来，一种名为区块链的新兴技术是一种很有前景的方法，可以实现电子医疗记录的高效管理和在不同医疗机构之间的安全共享。
3.区块链是一种新型数据记录、存储和传递的技术，并可以在不依赖第三方信任机构的情况下，达到相互信任，实现价值转移。区块链是公开的，数据和交易由不同节点打包验证，并记录到全网统一的分布式账本上，系统中的任何节点都可以查阅并验证公开账本中交易的合法性；它是可靠的，通过工作量证明、权益证明等机制实现全网去信任的共识，数据和交易记录上链登记之后，即成为不可篡改的记录，任何人无法对其进行恶意更改。同时，也给数据的追本溯源建立了可靠的保障；它也是安全的，通过密码学算法对数据和交易在传输和存储过程的安全性进行保证，交易包含用户的签名，任何用户都无法抵赖带有自己签名的交易记录。
4.基于区块链的医疗健康服务系统显著促进了医疗保健行业的发展，如健康链等。分布式的存储模型能有效削弱中心化医疗机构的恶意行为，避免因单节点存储故障导致的电子医疗记录数据泄漏或损坏。其次，区块链交易的开放性和可验证性可以保证电子病历的真实性和准确性，防止恶意第三方的操纵和破坏。此外，匿名交易地址形式能够在不影响电子医疗记录数据统计特性的前提下严格保护用户隐私安全。虽然健康链等分布式医疗数据管理系统可以为不同医疗机构和用户提供分布式的医疗大数据共享平台。然而，如何最大化健康链中医疗数据资源的价值，平衡医疗数据资源的供应和需求，并优化数据提供者和消费者的利益是一种亟需解决的问题。


技术实现要素：

5.为了解决当前医疗数据不能在不同医疗机构之间自由地传递与共享，本发明提出了一种基于博弈论的区块链医疗数据共享激励方法，利用斯坦尔伯格博弈的经济学策略游戏来定义电子医疗记录提供者和消费者之间的关系，通过医疗数据资源定价和需求量之间的博弈，达到最优的医疗数据资源定价和交易量，促进医疗数据在不同医疗机构和用户之
间的共享与传递，最大化医疗数据资源的经济效益和社会效益。
6.本发明的技术方案是这样实现的：
7.一种基于博弈论的区块链医疗数据共享激励方法，其步骤如下：利用联盟链技术建立包含患者、医生、医疗机构、银行和保险机构的医疗联盟健康链系统；患者选择共享自己的医疗数据，医疗机构收集、管理和共享医疗数据于健康链系统中；在健康链系统中建立医疗数据定价和交易量之间的博弈模型，医疗机构根据医疗数据特征设定初始定价，医疗数据消费者根据自己的需求出价；利用逆向推导法来计算博弈模型的纳什均衡点，得出最优数据价格和数据交易量；确定交易，并将共享交易记录验证、广播及上链至健康链系统中。
8.优选地，所述健康链系统是指不同的医疗机构利用联盟链技术构成的一个分布式的健康链系统；健康链系统包括共识节点、系统节点和其他节点；共识节点是指不同的医疗机构，参与健康链系统的管理与维护；系统节点是指患者和医生，上传、管理和交易自己的医疗数据；其他节点是指银行和保险机构。
9.优选地，所述患者在医疗机构就诊，建立医疗数据档案；其中，医疗数据包括患者本人的信息、就诊信息、问诊医生信息、诊断结果信息、医疗机构信息和保险信息；
10.所述医疗数据的所有权归属于患者本人，患者可选择性的共享自己的医疗数据，且在共享过程中隐藏敏感信息数据；同时，医疗数据在被医疗机构管理和共享过程中，医疗数据本身存储于本地服务器中，其索引上传到健康链系统上；
11.所述医生，参与医疗数据的构建，并且可以查看健康链系统上的医疗数据；
12.所述医疗机构，负责收集和管理由患者共享的医疗数据，并将共享的医疗数据存储到健康链系统中；
13.所述银行，参与医疗数据产生期间需要的费用支持，参与医疗数据在健康链系统中的验证；
14.所述保险机构，参与医疗数据产生期间需要的费用报销支持，参与医疗数据在健康链系统中的验证。
15.优选地，所述医疗数据的索引包括关键词、服务器存储地址和用户签名信息。
16.优选地，所述医疗数据定价和交易量之间的博弈模型包括：
17.医疗数据资源提供者的出价规则，根据医疗数据的持有量、需求量和稀有程度因素，设定医疗数据资源的初始价格和区间，并构建医疗数据资源提供者的效益函数；
18.医疗数据资源消费者的竞价策略，根据医疗数据资源提供者的出价规则，调整自己的需求量，并构建医疗数据资源消费者的效益函数。
19.优选地，所述医疗数据资源提供者为医疗机构，医疗机构将收集到的医疗数据共享到健康链系统中，通过对医疗数据进行整合分散化，发挥医疗数据资源的最大化价值；所述医疗数据资源消费者为利用医疗数据进行科学研究、药物研发和医疗器械制造的研究者。
20.优选地，所述利用逆向推导法来计算博弈模型的纳什均衡点的方法为：
21.计算医疗数据资源消费者的效益函数的一阶和二阶导数，判断医疗数据资源消费者的收益函数的收敛性，计算得出最优医疗数据资源需求量；
22.将得出的最优医疗数据资源需求量代入医疗数据资源提供者的效益函数中，计算
医疗数据资源提供者的效益函数的一阶和二阶导数，判断医疗数据资源提供者的收益函数的收敛性，计算得出最优医疗数据资源价格；
23.判断医疗数据资源提供者的效益和医疗数据资源消费者的效益之和是否达到最大化；
24.当达到最大化时，得出博弈模型的纳什均衡点，即为最优的数据价格和最优交易量。
25.优选地，所述医疗数据资源提供者的效益函数为：
26.r
l
＝λ
i
d
i
‑
γd
i
；
27.其中，r
l
是医疗数据资源提供者的效益函数，λ
i
是第i个医疗数据消费者的价格，d
i
是第i个医疗数据消费者的需求量，γ是额外操作和维护费用的系数，i∈n，n为医疗数据消费者的数量；
28.所述医疗数据资源消费者的效益函数为：
29.r
f
＝s
sat
‑
λ
i
d
i
；
30.其中，r
f
是医疗数据资源消费者的效益函数，s
sat
＝α
i
ln(d
i
‑
d
min
c
i
)表示第i个医疗数据消费者的满足函数，c
i
是预设因子，d
min
是第i个医疗数据消费者最低的需求，α
i
是预设的非零正因子。
31.优选地，所述将共享交易记录验证、广播及上链至健康链系统中的方法包括：
32.医疗数据共享交易验证，共享完成之后，共享行为形成一个新的交易，经过健康链验证节点的验证，形成一笔合法的交易存储于健康链账本上；
33.医疗数据共享交易广播，医疗数据的索引上传交易和共享行为交易通过健康链全部验证节点的验证之后，由验证节点中的领导节点广播到健康链全网节点；
34.医疗数据共享交易上链，通过广播之后的交易，随着所在临时区块链接到健康链全网唯一账本最长链末端，所述交易也完成上链登记，交易成为不可篡改的记录。
35.与现有技术相比，本发明产生的有益效果为：本发明保证了患者用户对个人医疗数据的所有权，共享个人医疗数据产生的收益也回馈给患者用户，减轻了患者看病就医的负担；患者可以携带个人医疗数据在其它任何医疗机构就医问诊，授权医生查看个人历史医疗数据，得到更加精确的诊断治疗；医疗数据资源得到了充分的利用，促进医疗水平的提高，医疗技术的发展，医疗机械的研究和药物的研发等。
附图说明
36.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
37.图1为本发明的流程图；
38.图2为本发明的医疗数据分布式共享模型；
39.图3为本发明的区块链医疗数据共享激励方法的博弈模型；
40.图4为本发明医疗数据共享交易上链登记流程图。
具体实施方式
41.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
42.如图1所示，本发明实施例提供了一种基于博弈论的区块链医疗数据共享激励方法，其步骤如下：利用联盟链技术建立包含患者、医生、医疗机构、银行和保险机构的医疗联盟健康链系统；所述健康链系统是指不同的医疗机构利用联盟链技术构成的一个分布式的健康链系统；健康链系统包括共识节点、系统节点和其他节点；共识节点是指不同的医疗机构，参与健康链系统的管理与维护；系统节点是指患者和医生，上传、管理和交易自己的医疗数据；其他节点是指银行和保险机构。除此之外，所述医疗联盟健康链还包含其它一些节点，比如账户中心和审计中心等。
43.所述患者选择共享自己的医疗数据，医疗机构收集、管理和共享医疗数据于健康链系统中；所述患者在医疗机构就诊，建立医疗数据档案；其中，医疗数据包括患者本人的信息、就诊信息、问诊医生信息、诊断结果信息、医疗机构信息和保险信息；
44.图2描述了以下区块链数据共享场景：医疗数据的产生，患者用户在某一家医疗机构就诊，建立医疗数据档案，该医疗数据的所有权归属于患者本人；医疗数据的本地存储，被患者共享的医疗数据，存储于所述的医疗机构的本地服务器上，并由所述的医疗机构管理；医疗数据的上链登记，医疗数据索引上传到健康链账本中记录，可供合法系统用户查询；医疗数据的跨机构共享，被共享医疗数据可在所述健康链不同医疗机构节点间传递。
45.s201：患者用户在医疗机构就诊后形成所述医疗数据档案，包括患者本人的信息、就诊信息、问诊医生信息、诊断结果信息、医疗机构信息和保险信息等。
46.s202：患者选择共享自己的医疗数据与所述的健康链系统中，所述医疗数据在经过系统加密之后，对应的数据密文存储于所就诊医疗机构的本地服务器上，生成存储位置的url信息。
47.s203：由所产生的医疗数据本地存储位置信息url、关键词、患者签名等信息，生成医疗数据索引。并通过可搜索加密方式，将医疗数据索引上链登记到健康链账本中。
48.s204：所产生的医疗数据被共享到所述健康链系统中后，即成为一笔公开的记录，所述医疗数据即可被所述健康链系统中的所有节点检索。
49.s205：患者可以在不同的医疗机构授权所需要的不同医生查看自己的医疗数据记录。其它所述健康链节点，只有通过所述可搜索加密的陷门测试才能访问到所述医疗数据的存储地址，只有获得所述医疗数据查看权限才能解密所述的密文数据，并查看和使用原始医疗数据。
50.所述医疗数据的所有权归属于患者本人，患者可选择性的共享自己的医疗数据，且在共享过程中隐藏敏感信息数据；患者的共享行为能够获得一定的收益报酬，可以在健康链中授权不同的合法医疗机构节点中医生查看自己的历史医疗数据，使得所述的医生能够更加准确的诊断病情。同时，医疗数据在被医疗机构管理和共享过程中，医疗数据本身存储于本地服务器中，其索引上传到健康链系统上；所述医疗数据的索引包括关键词、服务器存储地址和用户签名信息。
51.所述医疗数据本地存储过程，所产生的医疗数据在经过系统加密之后，对应的数据密文存储于所就诊医疗机构的本地服务器上，生成存储位置的url信息。
52.医疗数据消费者在获得数据访问授权之后，既可通过url信息获取真实数据，并通过对密文的解密，最终查看和使用原始数据。
53.所述医疗数据上链登记过程，由所产生的医疗数据本地存储位置信息url、关键词、患者签名等信息，生成医疗数据索引。并通过可搜索加密方式，将医疗数据索引上链登记到健康链账本中。
54.医疗数据消费者在通过医疗数据关键词搜索到目标数据之后，通过所述可搜索加密的陷门测试，即可获得所述医疗数据的存储位置url信息，进而下载到所述医疗数据的密文数据信息。
55.所述医疗数据跨机构共享过程，所产生的医疗数据被共享到所述健康链系统中后，所述医疗数据即可被所述健康链系统中的所有节点检索，患者可以在不同的医疗机构授权所需要的不同医生查看自己的医疗数据记录。其它所述健康链节点，只有通过所述可搜索加密的陷门测试才能访问到所述医疗数据的存储地址，只有获得所述医疗数据查看权限才能解密所述的密文数据，并查看和使用原始医疗数据。
56.所述医生，参与医疗数据的构建，并且可以查看健康链系统上的医疗数据。所述医疗机构，负责收集和管理由患者共享的医疗数据，并将共享的医疗数据存储到健康链系统中。所述银行，参与医疗数据产生期间需要的费用支持，参与医疗数据在健康链系统中的验证。所述保险机构，参与医疗数据产生期间需要的费用报销支持，参与医疗数据在健康链系统中的验证。
57.在健康链系统中建立医疗数据定价和交易量之间的博弈模型，医疗机构根据医疗数据特征设定初始定价，医疗数据消费者根据自己的需求出价；
58.医疗数据资源提供者和消费者均希望使得自己的利益最大化，即所述医疗数据资源提供者希望以更高的价格售出更多的数据量，消费者希望以更低的价格获得自己更多的数据量。因此，该问题即变成一个最优化博弈的问题。所述医疗数据资源提供者优先设定一个出价规则，计算自己的最大化效益；所述医疗数据资源消费者根据所述提供者的出价规则调整自己的需求量来竞价，计算自己的最大化收益；经过所述双方之间的价格与需求量之间的相互博弈，最终达到最优的数据价格和交易量，双方各自也实现各自的最大化利益，同时系统也达到最大化效益。此时，即在利益的激励下实现医疗数据资源的共享。所述医疗数据定价和交易量之间的博弈模型包括：
59.医疗数据资源提供者的出价规则，根据医疗数据的持有量、需求量和稀有程度因素，设定医疗数据资源的初始价格和区间，并构建医疗数据资源提供者的效益函数；所述医疗数据资源提供者为医疗机构，医疗机构将收集到的医疗数据共享到健康链系统中，通过对医疗数据进行整合分散化，发挥医疗数据资源的最大化价值。
60.医疗数据资源提供者的最大化效益，计算卖出的所述医疗数据资源的收益，并除去付给所述医疗数据资源原始患者的报酬和管理消耗等费用。
61.医疗数据资源消费者的竞价策略，根据医疗数据资源提供者的出价规则，调整自己的需求量，并构建医疗数据资源消费者的效益函数。所述医疗数据资源消费者为利用医疗数据进行科学研究、药物研发和医疗器械制造的研究者。
62.医疗数据资源消费者的最大化收益，计算所购买的所述医疗数据资源的成本，并加上额外需要的操作和维护费用。
63.健康链系统的最大化效益，是指医疗数据资源提供者的最大化效益和医疗数据资源消费者的最大化收益之和。
64.利用逆向推导法来计算博弈模型的纳什均衡点，得出最优数据价格和数据交易量；根据所述医疗数据资源提供者设定的初始价格，通过先计算所述医疗数据资源消费者收益函数的收敛性和极值点，计算出一个资源需求量；进而代入所述医疗数据资源提供者效益函数中，计算出一个效益值；调整所述医疗数据资源的价格，迭代上述两个步骤计算过程，直至最新的收益函数不再大于上一次的收益值，即达到博弈模型的纳什均衡。此时，上一次的所述医疗数据资源的价格和需求量即为最优的数据资源价格和最优的数据资源交易量，同时上一次所述医疗数据资源消费者的收益值和提供者的效益值即为最优的数据资源收益值和数据资源效益值。具体操作如下：
65.所述医疗数据资源消费者收益函数的收敛性和极值点，即计算医疗数据资源消费者的效益函数的一阶和二阶导数，判断医疗数据资源消费者的收益函数的收敛性，计算得出最优医疗数据资源需求量；
66.所述医疗数据资源提供者效益值计算，即将得出的最优医疗数据资源需求量代入医疗数据资源提供者的效益函数中，计算医疗数据资源提供者的效益函数的一阶和二阶导数，判断医疗数据资源提供者的收益函数的收敛性，计算得出最优医疗数据资源价格；
67.所述博弈模型的纳什均衡，即为最优的数据价格和最优交易量。也即所述医疗数据资源提供者达到最大化效益，所述医疗数据资源消费者的收益达到最大化，所述健康链系统的效益达到最大化。
68.判断医疗数据资源提供者的效益和医疗数据资源消费者的效益之和是否达到最大化；
69.当达到最大化时，得出博弈模型的纳什均衡点，即为最优的数据价格和最优交易量。
70.在图2所述的分布式医疗服务健康链基础上，图3给出了博弈论的区块链医疗数据共享激励方法，步骤包括：
71.s301：首先，选择一个医疗机构作为“领导者”。设置一个所述医疗数据价格策略{λ＝[λ
i
]
i∈n
:λ
min
≤λ
i
≤λ
max
}，其中λ
i
是第i个所述医疗数据消费者的价格，λ
max
和λ
min
分别是最高和最低的价格。这里最低价格λ
min
是记录所述医疗数据资源提供者最低的收益保证。因此，去掉额外操作和维护费用γ之外，所述医疗机构的期望收益是：
[0072]
r
l
＝λ
i
d
i
‑
γd
i
ꢀꢀꢀ
(1)
[0073]
其中，d
i
是第i个所述医疗数据消费者的需求量。
[0074]
s302：所述医疗数据资源消费者根据提供者的出价策略，调整自己的医疗数据资源需求量来竞价。
[0075]“跟随者”一般为数据的使用者，例如研究者、医疗公司或其它需要使用医疗数据进行研究的机构。根据“领导者”的出价规则，“跟随者”决定自己的数据购买量。假设有n个数据消费者来共同为一种数据竞价，当加上额外需要的操作和维护费用(预设因子c
i
)之后，可以表示为：
[0076]
s
sat
＝α
i
ln(d
i
‑
d
min
c
i
)
ꢀꢀꢀ
(2)
[0077]
其中，d
min
是第i个数据消费者最低的需求，α
i
是预设的非零正因子。
[0078]
由于第i个数据消费者对每一条数据的付出代价为λ
i
d
i
。因此，数据消费者的收益函数可以表示为：
[0079]
r
f
＝s
sat
‑
λ
i
d
i
ꢀꢀꢀ
(3)
[0080]
s303：计算所述医疗数据资源消费者收益函数的一阶和二阶导数，判断所述收益函数的收敛性，计算得出最优医疗数据资源需求量；
[0081]
计算第i个数据消费者的最优数据资源需求量。对等式(3)求导，即可得出效益函数r
f
对资源需求d
*
的一阶和二阶导数如下：
[0082][0083][0084]
因此，通过(5)式得出效益函数r
f
是严格收敛的。同时，计算即可得出最优数据资源需求量：
[0085][0086]
s304：将得出的所述最优医疗数据资源需求量带入所述医疗数据资源提供者效益函数中，计算所述效益函数的一阶和二阶导数，判断所述收益函数的收敛性，计算得出最优医疗数据资源价格；计算数据资源的最优元数据价格。
[0087]
将(6)中最优数据资源需求量结果带入等式(1)中，数据资源提供者的收益函数r
l
可以被转化为：
[0088][0089]
然后，计算收益函数r
l
对元数据价格λ
*
的一阶和二阶导数为：
[0090][0091][0092]
当d
min
＜c
i
，有和同时，可以得出：
[0093][0094]
由(10)式可知，收益函数r
l
随着元数据价格的变换先增后减。收益函数严格收敛，
即当时数据资源达到最优元数据价格为：
[0095][0096]
另外，由于λ
i
代表第i个数据消费者的价格，因此，不予考虑d
min
＞c
i
，λ
i
＜0的情况。
[0097]
s305：所述医疗数据资源提供者达到最大化效益，所述医疗数据资源消费者的收益达到最大化，所述健康链系统的效益达到最大化。
[0098]
假设健康链网络中存在t∈{1,2,...,t}个作为电子医疗记录数据收集者和交易者的医疗节点。该类节点作为系统的维护者，通过医疗大数据资源创造收益，并支付原始数据生成者的回报，并努力使得系统达到整体平衡，且获得最大的收益。此时，健康链系统的最大化系统效益可以被表示为如下最优化问题c：
[0099][0100]
确定交易，并将共享交易记录验证、广播及上链至健康链系统中，在图2所述的分布式医疗服务健康链基础上，图4给出了共享交易上链登记的过程，步骤包括：
[0101]
医疗数据共享交易验证，所述医疗数据上链登记过程需要对其合法性进行验证，对产生的医疗数据索引，经过健康链验证节点的验证，即形成一笔合法的交易存储于健康链账本上，但不同于普通的共享交易，该类索引交易单独形成一个数据列表，可供数据消费者检索。共享行为交易需要进行验证，共享完成之后，共享行为形成一个新的交易，经过健康链验证节点的验证，形成一笔合法的交易存储于健康链账本上。
[0102]
医疗数据共享交易广播，医疗数据的索引上传交易和共享行为交易通过健康链全部验证节点的验证之后，由验证节点中的领导节点广播到健康链全网节点；达成的交易记录广播至所述健康链上的所有共识节点。
[0103]
医疗数据共享交易上链，通过广播之后的交易，随着所在临时区块通过健康链上的所有共识节点验证达成共识时，链接到健康链全网唯一账本最长链末端，所述交易也完成上链登记，交易成为不可篡改的记录。
[0104]
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。