使用移动区块链应用程序对个人移动健康数据的用户控制:设计科学的视角

简介

背景

数据是新的石油。
(克莱夫•亨伯特)

克莱夫·汉比的这句话代表了当今互联网社会的现实，在这个社会中，私人公司收集、分发、存储、分析用户数据并将其变现。医疗保健行业、用户和医疗保健应用程序的服务提供商所面临的一个重要但研究不足的挑战是与用户医疗保健数据相关的标准的二分法。一方面，有严格的数据要求，如《健康保险可携性与责任法案》(HIPAA)和《通用数据保护条例》(GDPR)，确保患者的机密性、隐私性和用户数据的安全，数据隐私和数据安全的大部分负担转移到提供商。另一方面，有许多无处不在的设备收集移动健康(mHealth)数据，如身高、体重、心率、心电图、睡眠模式、氧饱和度水平、眼部扫描、血压参数和实时血糖水平，这些数据存储在设备上，然后大规模传输到设备制造商和服务提供商的私有云。对于此类设备和移动健康应用程序的用户，几乎没有提供监督或法律保护，以防止第三方将此类个人数据变现。一个著名的例子是，谷歌最近发布了一种机器学习算法，通过对视网膜照片应用深度学习，可以主动预测患者的心脏状况[1］．此外，用户数据经常被用于研究和分析目的，这往往要求用户数据的匿名性。

在最近的一项研究中，90%接受调查的用户选择将其数据保密，其中相当多的人相信会将其健康数据保存在区块链[2］．卫生保健提供者、政府和执法部门面临的一个挑战是执行HIPAA规定的严格要求的成本[3.)、GDPR和《公共卫生紧急情况隐私法》。例如，尽管HIPAA提供了数据隐私的要求，但对违规者的执行、监控和惩罚都是现实的困难[4］．当用户在以下条件下登录医疗保健应用时，支持数据隐私和访问个人医疗保健数据的前提是有限的条款和条件防止未经授权的访问，而用户没有能力分享数据与他们的供应商。

在本文中，我们提出了一种新颖的以区块链为中心的方法，通过设计和部署移动应用程序，在可配置的区块链上传输和存储数据，优化了存储、检索和访问物联网(IoT)数据。我们总结了区块链体系结构以及它如何使用web服务支持物联网事务。然后我们开发了两个独立的移动医疗应用程序，一个在iOS上，另一个在Android上，并展示了以区块链为中心的普及医疗应用程序的新奇之处。我们展示了构建在区块链之上的移动健康应用程序的用户如何控制其数据，而区块链则支持访问控制、隐私、匿名和去中心化存储(不受单个公司控制)[5］．

客观的

为了满足用户隐私和数据访问方面的挑战，结合维护普及移动健康数据的高安全性、速度和可用性的需求，我们建议使用可配置的区块链体系结构，如共识、散列、存储、挖掘(CHASM)体系结构[6］．在本文中，我们研究了以下研究问题:

1. 研究问题1:普及移动应用程序如何与可配置区块链交互，以提供用户隐私、安全和对其移动健康数据的控制?
2. 研究问题2:普及的移动应用程序如何以及能够遵守严格的HIPAA ?

据我们所知，这是最早提出可配置区块链体系结构的研究之一，该体系结构结合了私有和公共区块链的元素，并与普适移动健康数据的要求兼容，满足了HIPAA规定的最高可能的安全和隐私要求。访问控制在多个层提供，即在钱包层、在应用程序层和在区块链层。同样，之前的研究也没有解决设备生成的这种无处不在的医疗保健数据如何与具有显著安全性、高吞吐量和低同步时间预期的物联网区块链数据存储兼容的问题。

在接下来的部分中，我们将描述设计科学研究方法(DSRM)，然后遵循DSRM中的每个步骤来实现一个可行的解决方案。

方法

概述

我们使用了DSRM，它通常被信息系统和计算机科学的研究人员所使用[7］．DSRM的主要步骤列于文本框1．

遵循这些原则，我们为我们的解决方案执行了以下步骤:首先，我们定义研究问题，并证明我们的解决方案和解决方案的价值;其次，我们将系统的设计目标定义为我们想要完成的目标;第三，我们设计并实施了我们的解决方案;第四，我们展示了针对前面提出的目标的解决方案;最后，在记录风险的同时，我们评估了解决方案的准确性、安全性和(潜在的)成本。

DSRM的第一步:问题定义和解决的重要性

捕捉个人移动健康数据的这种设备上的普及设备和应用程序已在日常使用中流行起来，数百万人使用可穿戴设备、个人健康参数测试套件和医疗设备[8］．这类设备和应用程序有几个好处，它们通过卫生保健实践的游戏化对患者的健康结果产生积极影响，如增加锻炼频率、监测食物摄入和控制肥胖、改善患者之间的沟通，并通过鼓励患者加入类似个体的同伴群体来提高患者的积极性[9］．

移动健康用户通过他们的普及设备产生大量数据，这些设备记录了心率、血液胆固醇和血压等数据。通常情况下，用户拥有许多设备，如智能手表、手机智能应用程序、智能血糖监测仪和智能脑电波阅读器。2，8，10-12］．这种无处不在的设备会产生大量的数据占用，这些生成的数据通常存储在独立的基于云的服务器或连接网络的存储上。这样的数据库是集中管理的，数据访问在用户批准后由管理这些数据存储的公司控制。这种集中管理的数据存储的一个关键问题是，用户无法控制他们的数据，而且通常无法访问历史数据。然而，通常情况下，此类数据可为用户健康状况提供有价值的见解，当谷歌[1]或用Sleep City [13，14)变得越来越普遍，它可以导致疾病的早期诊断或提供疾病发病的早期警告。负责收集移动医疗数据的普及设备被称为边缘设备，因为它们的存储容量非常小，并依赖网络收集和存储数据[15］．由于缺乏资源和需要将后端数据存储在其他地方，区块链已被证明提供了许多好处[16］．然而，这些好处不会自动转移到普遍存在的设备和应用程序上，这些设备和应用程序需要特别考虑安全、访问、隐私和性能方面的考虑。此前关于医疗保健交易所数据、数据篡改和医疗保健数据安全的医疗保健研究已经证明了在医疗保健环境中使用区块链的好处[8］．

一些公共区块链用于构建去中心化的应用程序，如供应链管理、去中心化金融和授权合同。区块链的高级功能包括启用公私密钥加密、可修改的去中心化共识算法以及通过哈希对数据进行强单向加密，可解决医疗保健数据存储面临的几个挑战[16］．方等人[17讨论了当前公共、基于联盟和私有区块链区块链设计的主要挑战，以确保医疗保健系统所需的所有属性(即患者健康记录的隐私、安全性、可扩展性和不可变性)不能同时在同一个区块链上可用。这也被称为区块链三难困境。

除了签名之外，我们开发的底层区块链还支持事务有效负载的对称加密。对于这个应用程序，我们使用了高级加密标准秘密密钥与用户私钥相关联。用户可以使用相同的私钥为不同的应用程序关联多个密钥。移动健康数据只能使用用户的密钥解密，以便后续共享、下载和阅读。用户可以为每个应用程序创建多个密钥，每个应用程序可以在多个设备上运行，以捕获关于同一个人的信息。例如,密钥1与用户ID相关联的将用于捕获用户的心率;密钥2与用户的运动日志相关联的数据将用于捕捉用户在跑步或运动时所走的步数;密钥3可以用来捕捉，例如，睡眠模式;而且密钥4可用于记录其他保健信息，如血压、血液中的氧饱和度水平和血糖。唯一的信息将存储在单独的钱包或设备中，并可以与区块链进行存储或同步，以实现整体持久存储。

符合HIPAA的一个特点是为用户提供绝对的信息隐私，以及在有机会的情况下删除和清理数据的能力。文本框2介绍这样一个软件系统的主要需求，以及为什么这些需求的解决是重要的。

DSRM的第二步:解决方案的目标

区块链是一种去中心化和分布式数据存储，它可以解决与数据访问和数据标准化相关的潜在隐私和安全问题，同时支持设备互操作性，并为用户提供对自己数据的完全控制[10，11］．区块链是分布在计算设备上的安全且不可变的事务分类账。交易通过加密验证存储在分类账上，并通过网络向上链接。由于去中心化，对等体可以在没有第三方的情况下进行交易。对等体通过公私密钥加密的组合(通常是椭圆曲线数字签名算法)访问区块链，并可以在区块链交易记录中创建和存储尽可能多的数据。这样的事务由数据的所有者使用他或她的私钥以密码学的方式签名，并且只有公共-私钥的所有者才能在区块链上访问。数据的所有利益攸关方，例如设备制造商、设备用户、市场管理员和医疗保健解决方案提供者，均可获准进入区块链网络[10，或者用户可以显式或隐式地与其他用户共享数据。

使用区块链系统跟踪数据的关键优势是区块链可以验证和永久存储所有创建和验证的用户数据。下面列出了使用区块链相对于标准普及数据库系统的一些常见优点表1．

DSRM的第三步:系统设计

概述

图1描述了驱动我们设计mHealth应用程序的主要用例场景图1，我们看到同一个人用户使用4种不同的设备来监测他或她的健康参数:血压监测设备、身体活动(如跑步、慢跑和步行)监测、主动血糖监测(如糖尿病前期或糖尿病状态)和脑电波监测。每个设备都存储和记录个人的移动健康数据，这些数据可以单独使用，也可以集体使用，来推断一个人的健康状况。

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存储检索和消息传递用例

我们将介绍数据存储、数据检索和消息传递的不同用例。不同平台的应用程序允许用户使用私钥共享数据，以保证数据的安全，但这些应用程序可以使用这些数据。这些应用程序以后可以使用全部或部分用户数据来提供服务，也可以让用户自己共享和控制提供给平台的数据。

用例如下:

1. 用例1:执行数据收集活动并向区块链提交签名数据
2. 用例2:使用相同的私钥为来自多个设备的同一用户创建不同类型的数据
3. 用例3:使用私钥去激活解除连接区块链上的数据(因为区块链是一个不可变的结构，数据一旦添加到链上就不能删除;然而，如果私钥被去激活，即与用户断开连接，数据的私钥组件就永远不能链接回创建它的用户，并且任何现有的加密有效载荷数据在未来都不能被解密或被其他人访问)

其他外设用例如下:

1. 用例4:在不同的应用程序之间共享数据
2. 用例5:(可选)在医疗保健市场中出售数据

区块链设计还可以鼓励用户创建、记录和共享真实的、高质量的数据，并可能拍卖医疗保健数据市场上的信息，这些市场访问个性化的医疗保健数据，以便下游销售用于研究。展示了上面所有用例及其依赖性的用例图图2．

我们扩展了先前对可配置区块链模式的研究，并专门使用CHASM区块链模式和相应的实例化PantherChain为实现医疗保健数据的存储、检索和市场功能而设计的设计[6］．在接下来的章节中，我们将描述PantherChain系统的设计，并记录PantherChain区块链系统的特性，该系统用于实现基于普遍物联网的移动健康数据的关键用例。使用CHASM设计模式的优点是它是灵活的，每个底层组件都可以改变，以适应整个物联网系统的性能、速度和存储需求。森古普塔和萨勃拉曼尼亚[6]通过改变软件组件演示了4个不同区块链的设计和性能功能。我们介绍了这样一个系统的体系结构，并在以下部分说明了这样一个实现的好处，其中包括高性能和参数的可调性，如在挖掘中使用的难度，特别是在需要物联网设备和高吞吐量时。

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CHASM设计模式和PantherChain实现

我们使用了CHASM软件设计模式，并在Java中实现了该模式PantherChain［6］．森古普塔和萨勃拉曼尼亚[6更详细地描述了裂口。然而，他们没有配置PantherChain或CHASM来通过基于web服务的智能合约应用程序编程接口(api)支持物联网。在这个实现中，我们采用了CHASM的可配置架构，并以具像状态传输(REST) API层的形式实现了对CHASM的基于物联的扩展，该API层接受来自设备的请求，并支持高性能和吞吐量。

在图3，我们通过说明类及其交互来展示CHASM设计模式。CHASM模式是流行的上下文对象设计模式[18]，它是Java 2平台企业版的核心模式，允许不同的类共享单个控制上下文(接口)。在我们的实现中，BlockchainSystem类引用了4个CHASM组件的抽象类实现:共识、散列器、存储器和挖掘器。今后，我们将把这些使用抽象类实现的概念称为插头．

在PantherChain中，我们为每个插件提供了不同的实现。的切肉机插件有3个实现:MD5(消息摘要版本5)[19实现为md5hash, SHA256(安全哈希算法)[20.实现为sha256hash和SHA512 [20.实现为sha512hash。存储器插件有两个实现:一个是序列化的JSON文件实现(FileStorer)，一个是使用SQLite的关系实现(SQLiteStorer)。的矿业公司插件被实现为一个proof-of-work(POW)矿机，具有灵活的难度级别，类似比特币[21］．我们包含了POW的两个实现:单线程POWMiner和多线程并行版本(ParallelPOWMiner)。最后，共识插件使用分布式文件共享机制作为概念证明来实现，以演示分布式中本聪[21共识，正如中本聪所描述的[21) (SimpleConsensus)。PantherChain可以通过替换插头(实现为抽象Java类)。每个插件提供特定的抽象方法，这些方法是到区块链系统其余部分的接口。最后，PantherChain可以使用事务的任何实现，并且可以在同一个实例中用于不同类型的事务(例如，基于文本的或基于加密货币的)。在PantherChain中，基于文本和基于json的事务都可以签名和加密。有趣的是，由于加密JSON事务的有效负载不再是格式良好的JSON，因此加密JSON事务类是签名文本事务的子类(图3)．

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DSRM的第4步:在区块链上实现物联网接口

概述

虽然智能合约[22]虚拟机不是在CHASM模式中实现的，我们将Java虚拟机与一个易于使用的基于web服务的软件结合起来，作为一个服务系统，在每个PantherChain节点上作为IoT接口运行。PantherChain的当前实现包括一个基于Java 2平台企业版servlet的REST API，它允许外部应用程序使用PantherChain的所有组件。PantherChain REST API的一些端点如下:APIGetKey(检索现有钱包或创建新的公钥或私钥钱包)、APIAddJson(添加包含用密钥签名的JSON数据的事务)和APISearchUid(基于唯一标识搜索PantherChain)。

要实现智能合约，应用程序可以通过API连接到PantherChain节点，并为客户端提供完整的应用程序集成。这种方法允许应用程序开发人员在后端使用区块链，并使用他们选择的语言或平台开发他们的应用程序逻辑。我们在PantherChain上开发并测试了上面列出的每个用例，以演示系统的功能，并使用基于用户的测试和HIPAA遵从指南对其进行验证。通过举例说明基于第三方数据准确性验证、数据市场等激励模型，提出了该模型未来的研究方向。PantherChain实现还包括在现有系统之上演示类似比特币的加密货币(PantherCoin)。

调用物联网移动医疗数据接口

将PantherChain集成到mHealth系统中需要两个步骤:(1)初始化或检索用户钱包(使用APIGetKey);(2)使用APIAddJson向池提交事务。在我们的测试中，我们开发了两个应用程序，一个用于Android手表，另一个用于Apple手表，每个应用程序都可以从传感器捕获一些健康数据，构建JSON数据包，并将其发送到API后端。多媒体附录1而且2显示示例Android (Java)和iOS (Swift)代码执行此操作。

结果

DSRM的第5步:移动数据医疗保健iOS和Android应用程序的演示

概述

为了证明这一过程的概念，我们开发了两个手表应用程序:一个基于Android，另一个基于iOS WatchKit。这两款应用都是为在手表上运行而设计的简单应用。我们编写了Android应用程序来跟踪步数和心率数据开始按钮点击并提交一个签名包，其中包含平均心率和总步数停止按钮被点击。iOS WatchKit应用程序的工作方式与此相同，不同之处是，鉴于我们使用的iOS手表没有直接的互联网连接，数据由iPhone配套应用程序上传，该应用程序从苹果手表检索数据，并向区块链提交一个类似的签名包。用户可以用同一个钱包(公私密钥对)设置两个应用程序，这样所有设备的数据都可以链接到同一个用户。或者，用户可以使用元钱包，如metaMask [23或出埃及记[24]钱包生成一个主公私钥，在元钱包中存储独立的钱包。总之，无论选择何种方法，所有用户的数据和机密信息都只由一个用户捕获和存储。在接下来的部分中，我们将提供我们所设计的应用程序的一些插图，从而演示上面的各种用例。

用例的实现和验证

在此用例中，用户的个人医疗保健数据由单个用户通过使用私钥的查询接口存储在区块链上并可访问。

第一个基本用例涉及用户使用Android手表进行基本锻炼。图4演示了Android应用程序在锻炼过程中运行和收集数据。该应用程序可以启用有效载荷的加密，以增加数据的安全性。我们将在中进一步讨论加密过程用例的实现和验证3部分。当测试停止时，手表(或控制手机，如果手表没有直接的互联网接入)可以将测试作为一个新的事务提交给区块链，在用秘密密钥加密后(如果在应用程序级别启用)。

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用例的实现和验证2

在此用例中，使用多个设备和元信息的各种类型的个人医疗保健数据存储在区块链上。

尽管第一个用例是跟踪移动健康数据的最基本方法，但在今天的大多数健康监测平台中都存在类似的过程。用例2的动机来自于将来自不同移动医疗系统的数据共享和聚合到单一平台的能力的限制。目前，用户无法选择使用具有不同功能的不同设备，以单一一致的方式收集健康数据并审查和聚合所有数据。我们的应用程序解决了这个问题，允许不同的应用程序收集移动健康数据提交与同一钱包签名的数据包提交给区块链。图5显示了iOS WatchKit(左)中的2个应用程序及其配套的iPhone应用程序(中)和Android手表应用程序(右)，收集不同类型的数据提交到相同的区块链。

图5说明了两个不同的设备(一个iOS设备和一个Android设备)从同一个人收集医疗保健数据并将数据提交给区块链。应用程序的用户，通过他的公私密钥组合来识别，可以从一个web应用程序访问他钱包中的数据(如图1)．从多个设备收集的关于用户的此类数据可用于创建健康情报仪表板，也可与数据市场进行交易(共享)。

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用例的实现和验证3

在此用例中，在从系统上注销后，根据个人的私钥删除个人医疗保健数据。

为了符合HIPAA，用户需要能够从任何相关系统中删除个人健康数据。由于区块链是不可变的，数据一旦被挖掘并添加到区块链就不能被篡改(但在被挖掘之前肯定可以从事务池中删除它)。然而，在我们的mHealth实现中，HIPAA遵从性可以通过停用用户钱包来实现，这将从用户断开任何挖掘的块。如果用户选择对事务的数据有效负载进行加密，则没有用户的秘密密钥就无法对加密的组件进行解密。但是，区块链完整性仍然可以通过包含数据的块来维护，尽管没有钱包就不能与特定用户建立关联。

我们将在下面的小节中强调隐私实现的其他一些潜在方法。

多键钱包的实现和验证

我们的应用程序中的一个钱包可以与多个密钥相关联以进行加密。停用与钱包相关的任何密钥将使用该密钥加密的交易不活动。在我们的实现中，一个钱包包括一个用于签名和验证的公钥和私钥对，以及几个用于加密有效负载的高级加密标准秘密密钥。图6演示(1)使移动应用程序的用户能够加密事务有效负载;(二)有公钥、私钥、单密钥的钱包;以及(3)一个简单的签名事务和来自同一用户的具有加密有效负载的事务。

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应用程序访问限制

隐私遵从可以在应用程序级别实现，用户请求删除帐户，导致从区块链删除用户的钱包。一旦用户离开系统，如果私钥从用户的个人设备中删除，数据将永远无法重新连接到用户级别。

用例的实现和验证4

在此用例中，具有不同类型数据的个人医疗保健数据被聚合到区块链应用程序中。

一旦来自不同应用程序的数据被上传到区块链，第三方验证方法可以验证数据的真实性(这个过程可能在区块链和区块链之间有所不同，但将涉及某种形式的挖掘策略)。在这个概念验证应用程序中，我们使用了一种POW挖掘技术(类似于比特币，但使用较低的难度级别)，将已验证的交易合并到挖掘的区块中。应用程序可以使用这些经过验证的块来聚合来自每个使用相同钱包的应用程序的数据，使其与相同的用户相关联。PantherChain中的CHASM模式中的挖掘模块被实现为一个接口[6];因此，它可以被其他算法取代，如权益证明(Proof-of-Stake)，它可以为登录到区块的交易提供确定性的、有时间限制的确认[25］．

PantherChain的治理方法

基于物联网的区块链的最大挑战之一与谁管理区块链有关。区块链的治理功能包括控制区块链功能的能力[26］．这可能包括改变共识、哈希、存储和挖掘的算法。此外，区块链未来的功能增强，包括支持顶部不同应用程序的能力，可能会受到治理的影响。可以考虑用于区块链的治理协议可以有多种类型。表2总结了令牌的主要治理机制。

基于我们对基于移动健康的应用程序栈的分析，它将物联网与区块链，和consortium-based区块链效果最好。如果设备制造商、应用程序开发人员和用户不能组成一个联盟，那么通过PantherCoin (PantherChain区块链的内置令牌)创建一个去中心化的自治组织将启用这种机制。然而，这种方法的风险大于拥有一个公平的利益攸关方联盟，这些利益攸关方投资和控制区块链及其未来的改进，并能够确保权力下放。对于像我们这样处理医疗保健的系统，建议治理不要依赖于令牌经济学;相反，应该全面使用区块链的去中心化功能。

建立一个区块链的成本

与设置这样一个区块链相关的成本有很多类型，例如编程成本、硬件设置成本、设置网络成本以及应用程序开发成本和与设备制造商集成的成本。尽管由于需要详细的成本分析，本文将不足以涵盖所有这些成本，但我们已经记录了托管我们的原型的成本。我们希望设计人员和开发人员能够从这些数字中解释托管成本，并发现这些成本明显低于公共区块链或其他基于联盟的区块链，后者需要更专业的知识和更高的带宽设备，如基于特定应用程序的集成电路(ASIC)处理器用于挖矿。

我们的原型实例是在一个云虚拟机上配置和设置的，该虚拟机上有1 TB磁盘空间、128 GB RAM和带有2个核心Intel处理器的Linux。建立一个区块链实例的费用为3年300美元。同样，节点可以以1200美元的价格设立，为期3年。这是为无限的传入和传出网络流量。我们使用了大学提供的通用高性能计算基础设施云。类似的托管安排可以应用于云环境(如Amazon Web Services、谷歌、Microsoft和Heroku)，甚至可以应用于基于区块链的分布式计算云，如FileCoin、Storj或基于InterPlanetary文件系统的系统，其成本可能相同。根据联盟成员的数量和在云上存储数据的设备制造商或设备的数量，使用量也可能随着时间的推移而增加或减少。这些系统足够灵活，可以满足只存储最新数据的需求(并且可以支持数据的部分复制或完全复制)。由于CHASM体系结构非常灵活，未来的版本可能包括数据存储的分片和大型数据存储的其他性能增强。对分布式系统体系结构的全面讨论超出了本文的范围，因为我们关注的是使用物联网优化数据存储的数据的隐私和用户控制。

PantherChain系统性能统计

尽管区块链系统的性能在文献中受到了很多争论，但必须注意的是，性能是根据区块链每分钟可以处理的事务的数量来衡量的。例如，VISA网络支持每秒1700个事务，这表示网络上任何web服务请求的亚毫秒级访问时间。比特币和以太坊网络的性能要差得多，而且这些系统还没有从应用程序的角度进行基准测试。

我们测试PantherChain性能的方法是基于这样一个警告:任何系统的性能都可以通过测量访问系统不同组件所花费的总时间来评估。在我们的例子中，由于分布式和去中心化计算系统的体系结构，我们可以根据访问区块链的服务所花费的时间来衡量我们系统的总体性能。例如，上面讨论了访问PantherChain前端所花费的时间和访问REST api所花费的时间。当我们使用Apache Tomcat web服务器，使用该软件作为服务模型时，存在一些堆栈的性能基准。值得注意的是，针对Windows和Linux操作系统的互联网安全基准测试中心以及几个与处理器相关的基准测试已经存在[27］．类似地，Apache Tomcat和针对各种硬件和软件的Java性能基准测试，包括Java Development Kit和Java Virtual Machine实现的组合，已经被执行过[28］．关于区块链不同配置的性能测试，请参考Sengupta和Subramanian的研究[6］．

我们对PantherChain系统前端的标准典型用例和生成钱包密钥后获取钱包密钥的基本API进行了基准测试。在图7，我们绘制了API响应时间在5个维度上的平均值，这些维度通常用于度量getKey和uid API以及PantherChain用户界面的性能。

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工件的验证

我们根据要求，包括针对移动设备的HIPAA合规性检查表，提供对我们过程的完整验证[29),在文本框3．

讨论

样机的评估

在本研究中，我们使用PantherChain开发了一个完整的基于区块链的移动健康数据收集系统，PantherChain是基于chham的区块链框架的实现。我们开发了能够在智能手表上运行的移动应用程序来收集个人健康数据，这些数据与用户的私钥进行了签名，并演示了这个过程可以在高性能应用程序中实现。我们使用iOS和Android移动应用程序以及区块链对我们的结果进行了概念验证(如前几节中详细解释的那样)。我们可以清楚地展示获取不同类型健康信息的证据[6]。

在健康参数和不同操作系统版本的情况下，我们的应用程序的性能将在以下段落中得到进一步的证明。

我们通过在不同设备和模拟器上运行我们的概念验证应用程序来收集性能数据。概念验证iOS WatchKit应用程序在以下平台上进行了测试:

1. iPhone 12 Pro模拟器运行iOS 14.4配对Apple Watch Series 6 40毫米模拟器运行WatchOS 7.2 (图8)．
2. 运行iOS 12.5.4的iPhone 6设备与运行WatchOS 4.3.2 (图5）
3. 运行iOS 14.6的iPhone 12设备搭配运行WatchOS 7.3.2的Apple Watch Series 3

我们的概念验证Android手表应用程序在以下平台上进行了测试:

1. Android Watch ZGPAX S99c运行Android 5.1图4）
2. 运行Wear OS 9.0 (Android Pie)的Android Watch模拟器(由于没有健康模拟器，没有在结果中报告)

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我们使用的两个模拟器的主机平台是运行macOS Catalina的MacBook Pro 2018(苹果公司，2.6 GHz酷睿i7, 32 GB RAM)。工作网络为1gbps有线网络，家庭网络的最大上传速度为5mbps。注意，我们使用的Android手表设备只有2.4 GHz的无线适配器(这是大多数低成本、高性能物联网平台的典型特征，在本文撰写期间可用)。我们在一些旧硬件上进行了测试，以确保我们的应用程序能够在低性能的物联网设备上以足够的性能运行。在运行我们的应用程序(配置为发送摘要和详细的锻炼数据，并改变锻炼时间)后，我们注意到向PantherChain提交锻炼数据的性能主要取决于网络延迟、网络吞吐量和HTTP协议握手时间。从设备到PantherChain的往返时间可以观察到低至28毫秒(模拟器在1 Gbps网络中)，最高可达724毫秒(Android 5.1设备在2.4 GHz家庭无线网络中)。我们收集了从1分钟到30分钟的锻炼数据，即使有详细的数据上传，性能仍然是合理的，并且符合任何网络连接设备的预期。我们绘制了将数据提交到区块链所需的时间(以毫秒为单位)与对应设备上的4个配置的数据负载大小(以字节为单位)的图表图9．

这4个配置对应于使用心率监视器应用程序在不同的网络配置上以4种不同的模式运行，如下所示表3．

结果表明，我们收集并向区块链提交健康数据的平台和流程在性能方面不会降低用户体验。请注意，报告的性能时间仅基于提交给区块链，不包括挖掘性能，除非用户希望将数据提交给区块链以供潜在市场使用，否则挖掘性能是不必要的。对PantherChain的不同难度级别(通过改变挖掘算法)的挖掘性能比较可从Sengupta和Subramanian [6］．

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与之前工作的比较

尽管一些先前的工作为在区块链中存储mHealth数据时实现抗篡改和隐私性提供了方法(例如，Ichikawa等[8)，我们的实现在使用实际的mHealth数据应用程序的完整区块链实现中更进一步。方等人[17]建议使用一个被允许的私有区块链来完成GDPR的一些功能，以使用户能够控制他们的数据。学者们已经在医疗保健交换、移动数据交换和集中健康记录存储领域为区块链开发和演示了应用程序。这类工作主要涉及企业医疗保健系统，如电子医疗保健记录，其区块链的主要用例是用于分散数据存储[30.-34］．尽管这些应用是在Hyperledger或以太坊框架上构建和部署的，但它们不一定要进行物联网遵从性测试，这是在性能、数据大小和速度光谱的另一端。格里格斯等[35]讨论了在公共区块链中，不应该在智能合约中存储用户数据，因为符合HIPAA规定，这些数据不是私有的，所有人都可以访问。我们的可配置区块链设计考虑了这个限制，并通过加密数据和只允许通过用户拥有的钱包访问数据来解决这个问题。类似地，我们也可以在私有网络上配置整个区块链，而不是在公共区块链基础设施上，这将阻止公开查看此类数据。

之前的几篇论文已经引用并使用以太坊作为基于智能合约的区块链设计的基础技术。然而，由于以太坊作为区块链，链上存储是昂贵的，对于边缘设备等物联网应用程序，需要存储链上的数据，以快速检索或医疗保健分析，以太坊可能不是最适合作为区块链。最近对以太坊区块链的估计显示，在链上存储1mb的数据将花费大约76,000美元[36］．因此，目前的应用不建议使用以太坊上的链上存储。下链存储也会显著降低效率，因为在以太坊上写交易和操作智能合约的汽油成本，目前每笔交易的成本约为25美元至60美元，这将比市场上的一些低端智能手表更昂贵。

先前工作的另一个局限性是，对于移动健康数据和普适计算，数据平台在多平台数据源环境下运行的需求尚未得到测试。需要频繁将数据传输到后端数据存储的普及(边缘)设备会带来特定的网络传输时间(性能)、安全和隐私方面的挑战。我们部署的web服务体系结构(CHASM)是独立于平台的，并且我们使用具有不同网络配置的Android和iOS应用程序进行演示，所有应用程序都为单个用户与相同的区块链web服务通信。总的来说，我们相信我们的方法是一种新颖的方法，用于设计、开发和演示HIPAA移动数据兼容系统的功能，该系统包括多个设备上的普及移动数据应用程序和一个自定义可配置区块链，该区块链独立于平台并具有与物联网特性相关的性能。我们通过说明使用这种可配置区块链体系结构(CHASM)和从物联网设备接收数据的web服务堆栈的好处来结束我们的研究。

限制

我们的概念验证解决方案已经经过了4个节点的可伸缩性测试，并且可以在安全的公共网络上工作。我们测试了已确定(挖掘)数据和区块链的故障安全性和跨节点的数据复制。将来，可以扩展该体系结构以包含更多的节点，并且可以测试分布式数据复制。然而，我们相信CHASM体系结构将支持这样的可伸缩性，因为底层网络和数据分布接口是可插入的。同样，我们相信，我们在>5设备上执行的测试，包括模拟器和跟踪身体活动的健康应用程序，可以扩展到更多的设备和几种类型的应用程序。PantherChain实现与设备无关，存储在区块链上的数据与数据源无关。

供应商和设备制造商使用的区块链的异构可用性(他们现在将失去对数据的控制(或必须从客户那里购买数据)来分析数据，这将减少设计和开发更有效数据的时间。用户很难与其他产生数据的用户分享收入和利润。丢失访问数据的私钥的风险将使数据永远无法使用。因此，需要密切关注私钥(或私钥生成算法)的存储。

结论

总之，我们演示了使用区块链为使用多个设备的mHealth数据呈现独特而新颖的体系结构的好处。我们实现了一个独特的区块链，它可针对其子组件和API层进行配置，在处理个人健康数据的隐私、安全和数据所有权问题方面提供了必要的灵活性和安全性。通过使用多个设备和个人数据实现概念证明，我们的发现如下:

1. 通过物联网设备和个人移动医疗数据，区块链可以提供存储、检索和访问个人用户数据的灵活性，尽管有多个设备和操作系统生成关于个人的此类数据。
2. 聚合个人数据并使用加密仅提供个人对区块链数据的访问，可保护用户的隐私。使用钱包方法，用户还可以通过单独的事务将其数据的副本转移或发送到其他钱包。
3. 我们在不同设备上设计的移动健康应用程序和操作系统无关的应用程序，通过web服务与区块链通信，支持物联网吞吐量需求。
4. 正如上面的测试结果所述，我们用我们的设计演示了物联网设备的性能遵从性以及用户数据的HIPAA遵从性。

使用这个实现，将来我们可以创建一个市场数据针对个性化的医疗保健数据，匿名用户可以控制其医疗保健数据的生成、质量和货币化，而不是免费提供数据。