区块链赋能医疗创新

区块链技术：医疗领域的机遇

1 引言

作为一种新兴技术，区块链已经在信息与通信技术领域占据了显著的位置。尽管其起源于金融领域，但目前人们普遍认为，区块链技术有潜力深刻改变许多业务领域中技术解决方案的开发方式。

事实上，医疗保健、媒体和通信、能源、零售和消费品等领域的公司正在利用区块链技术开发日益复杂的解决方案。鉴于这一事实，本文重点关注区块链在支持医疗行业创新解决方案实施方面的应用。为此，我们简要描述了区块链技术的一些重要方面，并探讨了医疗领域中可能受益于该技术的一些应用场景。为了突出其重要性，我们列举了一些正在开发中的区块链项目实例，这些项目旨在解决医疗领域中的具体问题。

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关于其结构，本文首先介绍了一些与区块链技术相关的概念。接着，我们讨论了该技术在医疗保健领域的应用，展示了一些重要的用例和示范性项目，这些项目利用区块链来解决该领域中的特定问题。最后，我们总结了在这一特定背景下使用这些技术的一些思考。

2 区块链技术

区块链技术确实具有多种应用，能够显著影响我们在众多行业领域中处理各种用例的方式。该技术的目的是利用分布式账本验证和记录交易。通过这种方式，它允许各方通过计算机点对点（P2P）网络发送、接收和记录数据。

2.1 区块链

简单来说，区块链是一种分布式数据库，以持续增长的区块列表形式存储按时 间排序的数据。区块链通过一个计算机网络进行维护，没有中央“主控”节点。

链中的每个区块都包含代表数据库状态变更的交易；例如，将资金从一个账户转移到另一个账户。交易由网络中的多个节点验证，并最终存储在区块链的区块中。每个区块都包含对前一个区块内容的签名哈希，这使得区块内容无法被篡改[1]。

解释区块链技术所基于的概念：

• 网络 — 一组共同组合在一起的计算机节点。每个节点包含一个地址以及该区块链中曾经记录的所有交易的完整记录；
• 去中心化 — 意味着没有单一实体控制所有处理过程；
• 分布式 — 一种模型，其中位于联网计算机上的组件通过传递消息来通信并协调其操作。分布式系统的主要目的可以表示为资源共享、开放性、并发性、可扩展性、容错性和透明性；
• 交易 — 双方在同意的情况下进行的价值交换。如果没有只有账户所有者才知道的数字签名，价值就无法从账户中转移。该签名类似于私钥；
• 区块 — 在特定时间段内记录的一系列交易，以及一个将区块内容转换为加密密钥的哈希指针，将该区块与链上的前一个区块连接起来；
• 链 — 通过哈希指针连接在一起的一组区块；
• 时间戳 — 区块生成的瞬间。用于实现时间顺序的链式结构。

需要强调的是，交易不必基于货币。它可以是资产，所有者可以证明其拥有该资产。在图 1中，借自 [2],的区块链工作原理示意图。

2.2 去中心化共识

区块链旨在实现去中心化共识，即所有代理通过规则和协议就某一特定状态或信息集达成一致，而无需信任或依赖中心化权威机构。这使得共识更加安全且防篡改。此外，系统会奖励社区成员正确维护共识，以激励性且通常具有竞争性的方式提升记录和处理能力[3]。

在区块链上实现共识主要有两种方法：

• 工作量证明（PoW） —— 奖励那些通过解决复杂的密码学难题来验证交易并创建新区块（即挖矿）的用户。该系统确保一旦一个区块被验证，就无法被否认，因为恶意实体若要推翻它，必须拥有能够与整个网络计算能力相抗衡的计算能力。因此，我们实现了对这些交易有效性的强大且防篡改的共识，能够防止诸如拒绝服务攻击（DoS攻击）等攻击；
• 权益证明（PoS） —— 负责创建下一个区块的实体是通过确定性方式选择的，而账户被选中的概率取决于其财富（即权益）。

在这两种情况以及许多其他共识生成设计中，目标都是激励负责任且准确的记录保存，同时减少篡改行为。

2.3 哈希指针

如果有人试图更改链中间某个区块的内容，那么该区块生成的哈希值（存储在前一个节点中）也需要更改。因此，即使更改了前一个区块的哈希值和数据区块，前一个区块的下一个指针也是基于前一个区块的哈希值。由于前一个区块由数据和前一个哈希值（已发生更改）组成，这些信息也会显示出篡改的迹象。因此，唯一更改区块的方法是更改整个区块链，但在这种情况下，区块链的头部将是错误的，而用户存储的正是这个值，因此用户能够检测到篡改 [4]。

哈希指针以一种简单的方式为区块链提供了防篡改的系统。例如，如果有人更改了某个区块的内容，下一个区块的哈希值将无法匹配，我们就会发现这种不一致。

即使攻击者拥有足够的计算机算力来更改链中的区块以及后续所有区块的哈希指针，他/她最终也会陷入死胡同，因为最后一个哈希指针是我们所记住的列表头部的值，这种不一致性必然会被发现。

2.4 智能合约

智能合约就像一个在区块链上运行的程序，其正确执行由共识协议保证。智能合约可以用其编程语言编码任意一组规则。例如，当某些事件发生时，它可以执行转账。因此，智能合约可以实现多种应用，包括金融工具和自执行或自治治理 [5]。

智能合约与一个账户相关联，通过地址进行标识，其代码存储在区块链上。将合约上传到区块链后，它会根据先前实现的代码做出相应反应，并能够像区块链的普通成员一样执行交易。其主要目标是满足常见的合同条件，最大限度地减少恶意和意外事件，并减少对可信中介的需求[6]。相关的经济目标包括降低欺诈损失、仲裁和执行成本。

3 区块链在医疗保健领域的应用

在本节中，我们将介绍三个重要的医疗保健应用场景，这些场景可能会通过使用区块链技术得到显著改善：健康信息交换、系统互操作性与数据完整性以及患者数字身份。此外，还简要描述了一些近期的区块链开发项目，以展示医疗行业的高度动态特性。

3.1 医疗保健应用场景

利用区块链支持健康信息交换（HIE）可能真正体现系统互操作性（即计算机系统之间交换和利用信息的能力）的价值。基于区块链的系统有望减少或消除当前中间商带来的摩擦和成本，为增强和支撑医疗信息在多种用途和利益相关者之间的整合提供了一个有前景的分布式框架。

HIE 困难	区块链机遇
可信网络目前是通过建立的一个负责监管的第三方并记录所有共享的数据	信任的去中介化由其提供向所有人开放分布式账本的访问权限参与者，以此方式保持安全和透明的数据交换
每笔交易成本、过时的中心化由于较低的交易网络系统交易量	降低的交易成本和更由于实时交易而形成的高效系统无需中间人
主患者索引需要找到一种方法来在多个患者数据之间同步在不危及隐私的情况下使用系统	使用患者的分布式框架通过安全方式保护的私有和公共标识符密码学，从而提供一种安全的方式访问患者数据的方式
不同的数据标准降低了系统之间的兼容性	各方之间的共享数据在近实时更新
集成健康记录的来源较少导致对这些记录的有限访问	分布式、安全的患者访问在分布式账本上的持续数据记录账本
不一致的规则和官僚机构阻碍卫生组织的访问患者数据并增加每次的时间	智能合约使卫生组织能够创建一套一致的规则，规范 访问健康信息交换

流程

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他们的信息与医疗机构实现更顺畅的共享。在区块链上部署交易层有助于实现互操作性目标，同时创建一个无需信任且协作的信息共享生态系统，从而获得新的洞察，提高医疗系统的效率。

作为交易层，区块链可以存储两种类型的信息：“链上”数据，直接存储在区块链中，或 “链下”数据，其链接存储在区块链中，作为指向存储在独立的传统数据库 中信息的 指针（见表 2）。

将医疗信息直接存储在区块链中，可确保信息通过区块链的特性得到充分保护，并且拥有访问链权限的人员可以立即查看。然而，同时在区块链中存储大型数据文件会减慢区块处理速度，并对系统的扩展带来潜在挑战。

实现互操作性需要无缝提交和数据访问。因此，区块链可以作为交易层，使各机构通过一个安全系统提交和共享数据。一旦建立医疗信息的标准化集，就可以在智能合约中创建特定的数据字段，以制定处理和存储区块链上信息的规则，并规定在将信息存储到区块链之前所需的审批。每次发生患者交互时，医疗机构都会将信息传递给智能合约。

一个可互操作的区块链可以在更好地保护患者数字身份的同时增强数据完整性。根据Krawiec等人[7],的研究，2015年由于黑客攻击/IT事件导致了1.12亿次医疗记录数据泄露；而在2016年，据估计每三位医疗接受者中就有一人成为数据泄露的受害者。

区块链的密码学公钥/私钥访问、工作量证明和分布式数据等固有特性为医疗信息带来了更高水平的完整性。此外，所有连接到区块链的医疗保健组织都可以维护自己最新的医疗保健数据副本。这一特性提高了安全性，并有助于降低恶意行为的风险，因为变更会立即广播到网络，而分布式账本则提供了针对有害黑客攻击的保护性副本。

	链上数据	链下数据
Data 类型	标准化文本数据字段来自 患者（例如，年龄、性别）	可扩展的医疗数据和二进制 数据类型（例如，笔记、MRI图像等）
Pros	存储在区块链上的数据是透明且对所有连接的组织相同	能够存储任意大小的数据和格式
Cons	对要存储的数据大小和类型 的限制	为了访问数据，医疗机构需要申请访问权限以获取 组织必须要求访问权限 外部系统
## 3.2 一些当前的区块链项目

面对上述优势，目前在医疗保健领域已有许多非常有趣的区块链项目正在开发中。这些项目可分为三个不同的类别：电子病历互操作性、健康数据安全和供应链管理。

在电子病历互操作性领域，有一项值得关注的项目由PokitDok [8]公司开发，该项目涉及构建平台即服务（PaaS），使医疗机构能够快速在整个医疗价值链条中建立现代化的商业体验。该平台为来自电子病历、医疗设备和药店等所有患者数据来源提供一个安全网络。平台的各种应用程序编程接口（API）不再依赖于中心医院/药店，而是通过分布式区块链网络进行连接。另一个由Patientory [8, 9]公司开发的项目利用区块链技术，在遵循监管指南和合规要求的同时实现端到端加密，从而提供一种简便的方式以实时安全地存储和管理健康信息。该解决方案允许患者、临床医生和医疗机构安全地访问、存储和传输信息，从而改善护理协调并确保数据安全性。

在健康数据安全项目组中，我们重点介绍由GuardTime开发的一个项目，该公司是基于企业级区块链的安全系统的主要提供商之一。该公司业务涵盖广告、国防、医疗保健、政府和金融服务等多个领域。在医疗保健领域，GuardTime于2016年3月与爱沙尼亚电子健康管理局合作，保护了超过100万份患者记录。由于爱沙尼亚公民已持有可关联其健康记录的唯一身份凭证，因此可通过区块链层记录并保护与其数据相关的每一次交互。另一个值得关注的项目由Nebula Genomics公司开发，该公司认为基因组数据的搜索具有与任何涉及数据的市场相似的特征和挑战，他们旨在利用区块链技术解决数据安全问题，并确保数据能够从源头直接到达最终用户，而无需中间商参与。该公司利用区块链技术加强基因组数据保护，使买家能够高效获取基因组数据，并应对基因组大数据带来的挑战。

最后，我们介绍Chronicled [8, 9]，这是一家专注于供应链管理项目的公司。Chronicled为供应链和物联网客户开发专用区块链应用。其服务器与Quorum、Hyperledger和以太坊区块链协议同步，应用范围涵盖医疗设备、药品到包裹追踪。Chronicled平台的一个独特应用是追踪需要低温保存的物品，如药品、血液和人体器官。为此，Chronicled开发了一种便携式智能传感器，可将温度读数记录并存储在区块链后端，以确保安全数据传输。此外，针对药品和医疗设备，Chronicled开发了“CryptoSeal”防篡改粘贴标签，为物理物品提供加密身份。在供应链的每个节点，该标签均可扫描，并与区块链注册表进行核验。

4 结论

如今，区块链技术对信息与通信技术领域具有巨大影响潜力，推动了商业领域中日益创新且技术复杂的解决方案的出现。医疗行业是众多可能受益于区块链的行业之一，尽管它是非常重要的一环。鉴于此，本文旨在阐明近期区块链技术的相关概念，并强调其在解决医疗行业现存重要问题方面的贡献。为此，我们识别了一些医疗行业的代表性应用场景，描述了区块链技术如何有助于满足这些场景的特定需求。为了证明医疗行业在此领域正变得越来越活跃，并持续追求先进技术解决方案的发展，本文还简要介绍了一些近期的区块链开发项目。