DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-025-00757-1
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/40368981
تاريخ النشر: 2025-05-14
المؤلف: Zhenyun Du وآخرون
الموضوع الرئيسي: تطبيقات تكنولوجيا البلوكشين والأمان
نظرة عامة
يقدم هذا القسم ACHealthChain، وهو إطار عمل قائم على تقنية البلوكشين مصمم لتعزيز الخصوصية والأمان في إدارة بيانات الرعاية الصحية من خلال استخدام Hyperledger Fabric للتحكم في الوصول اللامركزي. الأنظمة المركزية التقليدية عرضة للاختراقات الأمنية وانتهاكات الخصوصية، مما يبرز الحاجة إلى حل أكثر قوة. يتضمن ACHealthChain نظام الملفات بين الكواكب (IPFS) للتخزين اللامركزي ويستخدم قنوات Hyperledger Fabric لضمان الخصوصية. تشمل الميزات الرئيسية PolicyChain للتحكم الدقيق في الوصول وLogChain لتحسين التدقيق، مع تنظيم بيانات صحة المرضى في سلاسل فرعية منفصلة لسجلات الصحة الإلكترونية (EHRs) والتشخيصات.
تشير التقييمات التجريبية إلى أن ACHealthChain يتفوق بشكل كبير على الأطر الحالية، محققًا زيادة في معدل الإنتاجية بنسبة 19.7% وتقليل في زمن الاستجابة بنسبة 87%. عند معدل معاملات يبلغ 200 معاملة في الثانية (TPS)، يصل إلى ذروة إنتاجية تبلغ 200 TPS، متجاوزًا المعايير السابقة مع الحفاظ على زمن استجابة منخفض. تؤكد تقييمات القابلية للتوسع فعاليتها تحت أحمال العمل المتزايدة. ومع ذلك، قد يحد اعتماد الإطار على شبكة مرخصة من التوافق مع حلول البلوكشين العامة. تهدف الأبحاث المستقبلية إلى تعزيز توافق ACHealthChain مع البنى التحتية العامة، مما يسهل تبادل البيانات بسلاسة ودمج الذكاء الاصطناعي لتحسين آليات التحكم في الوصول والأمان.
مقدمة
تستعرض مقدمة ورقة البحث الجوانب الأساسية والتطورات في تقنية البلوكشين، والتي تُعرف كنظام دفتر أستاذ لامركزي وموزع يضمن تسجيل المعاملات بشكل آمن وشفاف. تم تطويرها في البداية للعملات المشفرة مثل البيتكوين، وقد تطورت البلوكشين لتخدم صناعات متنوعة، مدعومةً بمنصات مثل Ethereum وHyperledger Fabric. يتكون الهيكل الأساسي للتكنولوجيا من سلسلة من الكتل المرتبطة بواسطة تجزئة تشفيرية، مما يخلق سجلًا غير قابل للتغيير يعزز الأمان ويقضي على الحاجة إلى السلطات المركزية. تلعب بروتوكولات الإجماع، بما في ذلك إثبات العمل (PoW) وإثبات الحصة (PoS)، دورًا حيويًا في الحفاظ على نزاهة البلوكشين من خلال تمكين العقد من الاتفاق على حالته.
بينما تعزز شفافية البلوكشين وعدم قابليته للتغيير الثقة والمساءلة، فإنها تثير أيضًا مخاوف بشأن الخصوصية بسبب تعرض المعلومات الحساسة لجميع المشاركين في الشبكة. لمعالجة هذه التحديات، تم اقتراح أساليب مثل البلوكشين المرخص والتقنيات المعززة للخصوصية، بما في ذلك الحسابات متعددة الأطراف الآمنة (SMPC) والتشفير المتجانس. بالإضافة إلى ذلك، تقدم الحلول الهجينة التي تجمع بين التحقق على السلسلة والتخزين خارج السلسلة، باستخدام قواعد بيانات مشفرة أو أنظمة ملفات لامركزية مثل IPFS، إدارة بيانات آمنة مع الحفاظ على الروابط التشفيرية إلى البلوكشين. تسلط المقدمة الضوء أيضًا على ظهور آليات الكشف الانتقائي من خلال العقود الذكية وتقنيات المعرفة الصفرية، التي تسمح للمستخدمين بمشاركة المعلومات الضرورية فقط، مما يعزز خصوصية البيانات. ستناقش الأقسام التالية مختلف أطر التحكم في الوصول القائمة على البلوكشين التي تهدف إلى تحسين الخصوصية في بيئات الرعاية الصحية.
الطرق
في هذا القسم، يوضح المؤلفون المنهجية التجريبية والتقييمية المستخدمة لتقييم أداء إطار عمل ACHealthChain، الذي تم نشره على Hyperledger Fabric v2.4.7. يستخدم الإطار قنوات Fabric لضمان الخصوصية، ويجمع بين نظام الملفات بين الكواكب (IPFS) للتخزين اللامركزي، ويستخدم بروتوكول تحمل الأخطاء البيزنطية العملية (PBFT) مع خدمة ترتيب Raft للإجماع. يتم تسليط الضوء على خدمة Raft لتميزها في القابلية للتوسع والأداء مقارنةً بـ Kafka وSolo، مما يجعلها مناسبة لبيئات الإنتاج بسبب تحملها للأخطاء وتبسيط تكوينها.
تضمن الإعداد التجريبي بيئة مسيطر عليها مع جهاز واحد يعمل بنظام Ubuntu Linux 22.04 LTS، يتكون من شبكة Hyperledger Fabric تضم خمس منظمات، كل منها تحتوي على نظير واحد وثلاث عملاء. تم قياس مؤشرات الأداء باستخدام Hyperledger Caliper، مع التركيز على الإنتاجية وزمن الاستجابة واستخدام الموارد عبر مراحل مختلفة. شملت المراحل تقييم مؤشرات أداء البلوكشين، وتحليل القابلية للتوسع مع زيادة عدد العقد (من 2 إلى 26)، وتقييم قابلية معاملات الإدخال التي تتراوح من 100 إلى 5000 عند معدل إرسال ثابت يبلغ 50 معاملة في الثانية (TPS)، وفحص تأثير زيادة المعاملات المتزامنة من 10 إلى 50 مستخدمًا. يهدف هذا التقييم الشامل إلى تقديم رؤى حول قابلية التوسع وكفاءة إطار عمل ACHealthChain في التعامل مع السجلات الصحية الإلكترونية.
النتائج
تسلط نتائج تنفيذ الإطار وتقييمه الضوء على نتائج مهمة تتعلق باستخدام الموارد ومؤشرات الأداء في سياق السجلات الصحية الإلكترونية (EHRs) والتشخيصات. على وجه الخصوص، كشفت التحليلات أن استخدام الذاكرة كان الأعلى بشكل ملحوظ في Org1، وهي العقدة المبدئية للمعاملات، كما هو موضح في الرسوم الفرعية (2) و(3) من الشكل 6، التي توضح استهلاك وحدة المعالجة المركزية والذاكرة عبر سلاسل ونظائر مختلفة. يتم تصور العلاقة بين الإنتاجية وزمن الاستجابة واستخدام الذاكرة بشكل أكبر في الرسم الفرعي (4)، مما يشير إلى أن أنماط استهلاك الموارد تتماشى عن كثب مع مؤشرات الأداء.
تؤكد النتائج على مزايا نهج ACHealthChain، الذي يستخدم قناة واحدة تشمل أربع سلاسل بلوكشين لتسهيل التواصل الفعال وتبادل البيانات. يقلل هذا الدمج بشكل فعال من زمن استجابة المعاملات ويعزز الإنتاجية العامة، مما يظهر الطبيعة الفعالة من حيث الموارد للإطار. تشير النتائج إلى أن ACHealthChain مناسب تمامًا للنشر العملي في سيناريوهات تبادل بيانات الرعاية الصحية، مما يبرز ضرورة تخصيص حلول البلوكشين لتلبية متطلبات التطبيقات المحددة في قطاع الرعاية الصحية.
المناقشة
في قسم المناقشة، تستعرض الورقة مجموعة من الأطر القائمة على البلوكشين لإدارة السجلات الصحية الإلكترونية (EHR)، مع تسليط الضوء على ميزاتها الرئيسية وقيودها. يستخدم MedRec العقود الذكية للخصوصية وتخزين البيانات ولكنه يفتقر إلى التحكم الدقيق في الوصول. يستخدم MeDShare بلوكشين مرخص للسماح بإدارة المرضى للسجلات الصحية الإلكترونية ولكنه يركز بشكل أساسي على زمن استجابة الشبكة في تقييم أدائه. يقدم MediChain TM التحكم في الوصول إلى البيانات من خلال العقود الذكية ولكنه لا يدعم إلغاء الوصول الموجه نحو المرضى. يعالج Healthchain تكاليف الخصوصية والتخزين بشكل فعال ولكنه يعاني من قيود في مرونة التحكم في الوصول. تقدم أطر أخرى، مثل SPChain وBCHealth، نهجًا فريدًا لإدارة البيانات وأذونات الوصول ولكن تواجه تحديات تتعلق بالقابلية للتوسع والعبء الحسابي.
يهدف إطار ACHealthChain المقترح إلى التغلب على هذه القيود من خلال الاستفادة من Hyperledger Fabric مع آلية إجماع تحمل الأخطاء البيزنطية العملية (PBFT)، مما يضمن إنتاجية عالية وزمن استجابة منخفض. يدمج نظام الملفات بين الكواكب (IPFS) لتخزين البيانات بشكل فعال مع الحفاظ على خصوصية المرضى وتمكين التحكم الدقيق في الوصول. يتميز الإطار بهندسة معمارية معيارية مع سلاسل فرعية متميزة لإدارة السجلات الصحية الإلكترونية، والتشخيصات، وسياسات الوصول، والسجلات، مما يعزز الأمان والمساءلة. من خلال تنفيذ مصادقة قوية وضوابط وصول قائمة على الأدوار، يضمن ACHealthChain أن الكيانات المصرح لها فقط يمكنها التفاعل مع النظام، مما يحسن الكفاءة العامة وأمان إدارة بيانات الرعاية الصحية.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-025-00757-1
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/40368981
Publication Date: 2025-05-14
Author(s): Zhenyun Du et al.
Primary Topic: Blockchain Technology Applications and Security
Overview
The section presents ACHealthChain, a blockchain-based framework designed to enhance privacy and security in healthcare data management by utilizing Hyperledger Fabric for decentralized access control. Traditional centralized systems are vulnerable to security breaches and privacy violations, prompting the need for a more robust solution. ACHealthChain incorporates the InterPlanetary File System (IPFS) for decentralized storage and employs Hyperledger Fabric channels to ensure privacy. Key features include PolicyChain for fine-grained access control and LogChain for improved auditing, with patient health data organized into separate subchains for Electronic Health Records (EHRs) and diagnoses.
Experimental evaluations indicate that ACHealthChain significantly outperforms existing frameworks, achieving a throughput increase of 19.7% and a latency reduction of 87%. At a transaction rate of 200 transactions per second (TPS), it reaches a peak throughput of 200 TPS, surpassing previous benchmarks while maintaining low latency. Scalability assessments confirm its effectiveness under increasing workloads. However, the framework’s reliance on a permissioned network may limit interoperability with public blockchain solutions. Future research aims to enhance ACHealthChain’s compatibility with public infrastructures, facilitating seamless data exchange and integrating artificial intelligence to optimize access control and security mechanisms.
Introduction
The introduction of the research paper outlines the foundational aspects and advancements of blockchain technology, which is characterized as a decentralized and distributed ledger system that ensures secure and transparent transaction recording. Initially developed for cryptocurrencies like Bitcoin, blockchain has evolved to serve various industries, facilitated by platforms such as Ethereum and Hyperledger Fabric. The technology’s core structure consists of a chain of blocks linked by cryptographic hashes, creating an immutable record that enhances security and eliminates the need for central authorities. Consensus protocols, including Proof of Work (PoW) and Proof of Stake (PoS), play a crucial role in maintaining the integrity of the blockchain by enabling nodes to agree on its state.
While blockchain’s transparency and immutability foster trust and accountability, they also raise privacy concerns due to the exposure of sensitive information to all network participants. To address these challenges, approaches such as permissioned blockchains and privacy-enhancing technologies, including Secure Multiparty Computation (SMPC) and homomorphic encryption, have been proposed. Additionally, hybrid solutions that combine on-chain verification with off-chain storage, utilizing encrypted databases or decentralized file systems like IPFS, offer secure data management while maintaining cryptographic links to the blockchain. The introduction also highlights the emergence of selective disclosure mechanisms through smart contracts and zero-knowledge techniques, which allow users to share only necessary information, thereby enhancing data privacy. The subsequent sections will discuss various blockchain-based access control frameworks aimed at improving privacy in healthcare settings.
Methods
In this section, the authors detail the evaluation and experimental methodology employed to assess the performance of the ACHealthChain framework, which was deployed on Hyperledger Fabric v2.4.7. The framework utilizes Fabric channels to ensure privacy, integrates InterPlanetary File System (IPFS) for decentralized storage, and employs the Practical Byzantine Fault Tolerance (PBFT) protocol with Raft ordering service for consensus. The Raft service is highlighted for its superior scalability and performance compared to Kafka and Solo, making it suitable for production environments due to its fault tolerance and simplified configuration.
The experimental setup involved a controlled environment with a single machine running Ubuntu Linux 22.04 LTS, comprising a Hyperledger Fabric network with five organizations, each having one peer and three clients. The performance metrics were measured using Hyperledger Caliper, focusing on throughput, latency, and resource utilization across various phases. The phases included evaluating blockchain performance metrics, analyzing scalability with varying peer nodes (from 2 to 26), assessing transaction scalability with input transactions ranging from 100 to 5000 at a fixed send rate of 50 transactions per second (TPS), and examining the impact of increasing concurrent transactions from 10 to 50 users. This comprehensive evaluation aims to provide insights into the scalability and efficiency of the ACHealthChain framework in handling electronic health records.
Results
The results of the framework’s implementation and evaluation highlight significant findings regarding resource utilization and performance metrics in the context of electronic health records (EHRs) and diagnoses. Specifically, the analysis revealed that memory utilization was notably highest in Org1, the initiator node for transactions, as illustrated in subplots (2) and (3) of Figure 6, which depict CPU and memory consumption across different chains and peers. The relationship between throughput, latency, and memory utilization is further visualized in subplot (4), indicating that resource consumption patterns are closely aligned with performance metrics.
The findings underscore the advantages of the ACHealthChain approach, which employs a single channel encompassing four blockchains to facilitate efficient communication and data exchange. This consolidation effectively reduces transaction latency and enhances overall throughput, demonstrating the framework’s resource-efficient nature. The results suggest that ACHealthChain is well-suited for practical deployment in healthcare data-sharing scenarios, emphasizing the necessity of customizing blockchain solutions to address specific application requirements in the healthcare sector.
Discussion
In the discussion section, the paper reviews various blockchain-based frameworks for electronic health record (EHR) management, highlighting their key features and limitations. MedRec utilizes smart contracts for privacy and data storage but lacks fine-grained access control. MeDShare employs a permissioned blockchain to allow patient management of EHRs but focuses primarily on network latency in its performance evaluation. MediChain TM offers data access control through smart contracts but does not support patient-centric revocation. Healthchain addresses privacy and storage costs effectively but has limitations in access control flexibility. Other frameworks, such as SPChain and BCHealth, present unique approaches to data management and access permissions but face challenges related to scalability and computational overhead.
The proposed ACHealthChain framework aims to overcome these limitations by leveraging Hyperledger Fabric with a Practical Byzantine Fault Tolerance (PBFT) consensus mechanism, ensuring high throughput and low latency. It integrates InterPlanetary File System (IPFS) for efficient data storage while maintaining patient privacy and enabling fine-grained access control. The framework features a modular architecture with distinct subchains for managing EHRs, diagnoses, access policies, and logs, enhancing security and accountability. By implementing robust authentication and role-based access controls, ACHealthChain ensures that only authorized entities can interact with the system, thereby improving the overall efficiency and security of healthcare data management.