23、区块链与物联网在医疗保健领域的应用及挑战

区块链与物联网在医疗保健领域的应用及挑战

1. 区块链背景

区块链最初用于维护金融账本，如今可拓展为构建去中心化计算资源提供更广泛的框架。每个计算资源可视为一个单例状态机，能通过安全的加密交易改变状态。节点创建新的状态机时，会封装指定可接受状态转换的逻辑并上传到区块链。随后，区块记录一系列合法交易，这些交易与前一个区块的状态逐步执行，将状态机转换为当前状态。工作量证明共识过程及其相关保障措施可防止状态机和过渡逻辑被篡改。

由于区块链能够安全地生成和传输不可逆转的永久交易记录，它正日益受到关注。比特币热潮可能会重新点燃公众对区块链这一使比特币成为可能的技术的兴趣。区块链常被称为数字账本技术，它本身并非加密货币。它生成区块（交易序列）并按一系列操作存储，网络参与者可以共享这些信息。由于区块采用了先进的加密技术进行保护，区块链支持者声称这些记录几乎无法被篡改。节点或设备之间的每笔交易都会被记录和验证，以确保所有节点就特定的时间和日期达成一致，从而形成一个可供所有人访问的单一共享事实来源。

在医疗保健行业，存在效率低下的问题，而区块链的去中心化结构可以为敏感的医疗数据提供安全性和隐私保护，从而改善这些问题。此外，它还可以简化理赔裁决流程、加快医疗保险注册速度，并增强医疗保健系统价值链中的企业对企业（B2B）流程。与医疗物联网（IoHT）结合使用时，区块链可以通过适当控制医疗设备的所有权链来进一步降低风险。医疗保健组织不仅可以跟踪产品，还可以在发生极端环境条件、粗心处理和篡改等有害事件时发送警报消息。对于处理交付产品的质量问题，该系统还能提供有价值的取证线索。

2. 区块链的类型

区块链主要有公共区块链、私有区块链、混合区块链和联盟区块链几种类型，每种类型都有独特的特性，影响着其最佳应用场景。
- 公共区块链 ：这种技术消除了集中化的限制，如安全风险和透明度问题。分布式账本技术（DLT）以分布式方式在对等（P2P）网络中传输数据，而非将其存储在单个位置。由于去中心化，DLT需要一种数据认证方法。在公共区块链中，无需权限，每个人都可以访问应用程序。
- 私有区块链 ：由集中式权威机构管理，使用时需要权限。在P2P连接和去中心化方面，它与公共区块链网络类似，但规模要小得多。在私有区块链中，网络创建者始终了解用户是谁以及允许进行何种类型的交易。公共网络不允许开发基于权限的解决方案，且用户完全匿名。
- 混合区块链 ：允许组织构建私有、基于权限的系统和公共、无需权限的系统，以管理谁可以访问存储在区块链上的特定数据以及哪些数据可以公开。它在一个团体的领导下运行，参与者需要预先获得批准。银行业应用大多基于这种类型的区块链。

3. 区块链与传统数据库的比较

比较项	区块链	传统数据库
数据可靠性	利用加密技术，通过分布式信任网络实现，不依赖主副本	基于客户端 - 服务器架构，数据存储在中央位置，有访问权限的用户可修改
结构形式	仅追加结构	无此特点
主要操作	读取和写入	多种操作
管理方式	数据库去中心化，每个节点参与管理，新数据添加需节点达成共识	数据集中管理
安全性保障	共识机制保障安全	依赖传统安全措施

4. 区块链在医疗保健中变得至关重要的原因

• 结合IoHT降低风险 ：安全、不可变的区块链与IoHT结合时，可以通过监控医疗设备和药物的所有权链来降低风险。
• 供应链跟踪 ：公司可以轻松跟踪供应链中的进度，检查产品的真实性或发现运输过程中可能造成损害的事件，如操作迹象、恶劣环境条件或粗心处理等。如果交付后出现质量问题，这些信息可提供重要的取证线索。
• 产品召回 ：如果制造商发现设备或药物存在问题，区块链可以帮助供应商通过快速跟踪整个供应链中的库存并将其从流通中移除，从而加快召回速度。
• 其他应用 ：基于区块链的其他机会包括更快、更高效的员工资格认证，这得益于能够确认护理人员不可变的记录；以及使用智能合约自动执行合同协议，如付款方和供应商之间的预授权。

5. 区块链与物联网在医疗保健中的结合

区块链和物联网采用多种电子信息安全维护方法，研究表明这两种技术可以协同工作。它们的结合方式多样，从将区块链技术融入物联网设备之间的数据交换到简单地在其上存储元数据。智能城市是最常讨论的物联网应用场景，区块链可用于改善实时系统中的数据交换、为商品供电等。

区块链技术在物联网环境中的应用，其在整个系统中的功能、与物联网数据交换的连接程度以及为服务提供展示区块链的流程的严重程度，因集成方法而异。安全是区块链技术为医疗保健和万物互联带来的好处之一，它可以解决包括数据、系统和网络安全在内的广泛问题。在医疗保健领域，数据管理程序需要改进的原因众多，例如缺乏唯一的患者身份、允许系统之间进行语法和语义连接的消息传递标准以及数据编码标准等。

6. 医疗保健中对区块链的需求

区块链网络有利于在医疗领域应用中存储、发送和接收患者数据。在医疗系统中，区块链用于在医疗机构、医疗专业人员、制药公司和医生之间包含和传输患者信息。它不会将数据存储在单个位置，而是通过计算机网络尝试复制和传播区块链。为了表示向区块链添加新块，每个联网的计算机都必须更新其区块链技术。以下是区块链在医疗物联网（IoMT）中的基本工作流程：

graph LR
    A[数据生成] --> B[数据加密]
    B --> C[创建区块]
    C --> D[共识验证]
    D --> E[添加到区块链]
    E --> F[数据共享与访问]

区块链技术对于变革医疗行业至关重要。医疗保健系统的格局正朝着以患者为导向的战略转变，强调持续可用的服务和充足的医疗资源。区块链鼓励医疗保健企业能够轻松提供足够的患者安全保障和优质的医疗设施。借助这项技术，可以迅速完成那些耗时且冗余的流程，从而降低医疗成本。公民还可以利用区块链技术参与健康研究项目。此外，改进公共健康研究和数据共享将改善广泛社区的治疗效果。

在医疗领域，区块链应用可以检测严重甚至危险的错误，提高医疗数据共享的性能、安全性和透明度，支持医院和诊所提高对医疗记录的分析能力。为了改善医疗保健结果，区块链技术在处理临床试验中的欺诈行为方面也起着关键作用，它可以提高医疗数据的效率，并在数据访问、互连性、问责制和认证方面提供灵活性。

7. 区块链支持医疗保健的能力

• 调节药品供应链 ：通过区块链技术可以对药品从制造到药店货架的全过程进行透明监控。结合物联网，还可以监测运输流量、货运方向和速度，从而实现合理的采购规划，减少药店、诊所和其他医疗服务机构使用特定处方时的延误和短缺情况。基于区块链构建的数字结构可以防止对物流数据的未经授权更改，增强信任并阻止购买麻醉药品的个人非法操纵文件、财务和处方。
• 促进患者医疗记录的安全传输 ：帮助医疗专家解读遗传密码，其在医疗保健及相关领域具有多种特性和关键概念推动因素，如医疗记录安全、多样化基因组管理、电子数据管理、互操作性、数字化跟踪、问题爆发监测等。医疗保健行业采用区块链技术主要归因于其应用和完全数字化的组件。

8. 区块链与物联网结合面临的当前问题和挑战

虽然区块链为物联网应用带来了去中心化、匿名和可靠的交易环境，降低了运营成本、更分散地管理资源并增强了对威胁和攻击的抵抗力，但在结合过程中仍面临诸多挑战。
- 性能与安全的权衡 ：区块链算法需要大量的计算能力才能运行，这减缓了在资源有限的设备上开发使用该技术的应用程序的速度。例如，整个比特币网络消耗的能源比一些国家（如哥伦比亚和奥地利）还要多。研究人员质疑区块链处理物联网数据的效率，并提出改进其基本算法以提高确认区块的生成速度。例如，去除工作量证明（PoW）共识机制可以降低能耗并提高性能，但PoW机制也使得区块难以更改并防止恶意Sybil攻击。因此，目标是在速度和安全之间找到良好的平衡。
- 吞吐量问题 ：物联网系统由于物联网设备不断发送数据，同时使用的人数众多，这对并发性能产生了负面影响。区块链的吞吐量受到达成共识的难度和使用加密技术保障安全的限制。在链式账本结构中，要在所有区块链节点上更快地组织新块需要额外的带宽，这可以提高吞吐量，但要提高区块链的吞吐量以处理物联网设备频繁交易的需求仍然具有挑战性。
- 物联网连接问题 ：物联网设备需要与存储、高计算和网络功能相连接，以便与潜在的利益相关者共享物联网数据。物联网与区块链技术的有限交互能力阻碍了新的商业机会在广泛行业中创造新的服务和应用程序。虽然区块链由于每个参与者都保存整个分布式账本的副本，可以处理大量信息，但参与者需要支付费用来将物联网数据存储在区块链上。例如，如果1000名用户每天仅使用区块链应用程序交换一张2MB的图像，一个区块链节点每年大约需要730GB的存储空间，因此在使用区块链处理物联网数据时，跟上不断增长的数据存储需求变得困难。
- 隐私和透明度问题 ：区块链可以使交易透明化，这在许多领域（包括金融）都很重要。但当某些物联网系统（如电子健康）的物联网数据存储和从区块链中检索时，用户隐私可能会受到威胁。为了在隐私和开放性之间找到良好的平衡，需要借助区块链技术构建物联网的访问控制机制。
- 监管挑战 ：区块链的去中心化、不可变性、匿名性和自动化等技术特征虽然可以使物联网应用更安全，但这些特征结合在一起也带来了一些新的监管挑战。在分布式交易账本上，数据一旦发布就无法更改或删除，而且由于没有中央管理机构，在数据上传到区块链之前无法检查隐私问题。当在分布式交易账本上运行智能合约时，可能会导致违法行动。由于账本的匿名性，很难找到参与非法服务交易的人员。此外，虽然区块链的自动化在很多方面有帮助，但对于编码错误和代码可读性等问题，责任归属并不总是清晰的。因此，现有的物联网法律法规需要进行修改以适应分布式交易账本的使用。

尽管区块链与物联网在医疗保健等领域的结合面临诸多挑战，但研究人员已经在多个领域探索了区块链技术的应用，如智能城市和家庭、农业、电子健康、供应链和工业等。例如，在能源互联网（IoE）行业，区块链可用于自动数据交换、能源转移、能源需求和交易等能源管理智能合约应用；在无人机（UAV）系统中，区块链技术可以帮助解决网络物理攻击、空中交通管理、无人机群控制、路线优化、飞行规划和应急管理等问题。

9. 结论

医疗保健行业可以从区块链技术的应用中获得多方面的好处。基于区块链技术的医疗保健应用可以提供安全性、完整性、去中心化、可用性和认证等功能。区块链的不可变数据允许基于可验证的共识建立数字数据账本，从而保护患者临床历史的实时完整性，并使医疗物联网（IoMT）网络中的每个节点都能访问防篡改的开放数据。

然而，医疗保健行业在适应基于物联网、智能设备和传感器的技术基础设施方面仍面临困难。不良行为者可能会利用这些技术（以及流程和用户）中的漏洞来访问和复制数据，这使得医疗保健提供者在日益网络化的世界中更难交换患者记录。如果患者的医疗文件包含过时的信息，可能会导致健康问题或误诊，从而危及患者的身份安全。总体而言，区块链技术与医疗物联网的融合可以通过其去中心化机制控制不断增加的IoMT设备数量，基于区块链的IoMT架构可以解决绝大多数安全和隐私威胁。

区块链与物联网在医疗保健领域的应用及挑战

10. 具体应用案例分析

为了更直观地理解区块链与物联网在医疗保健领域的结合应用，下面列举一些具体案例。

应用场景	应用方式	应用效果
药品供应链管理	某大型制药企业利用区块链技术，对药品从生产源头到终端销售的整个供应链进行记录。每一个环节的信息，如生产时间、运输条件、储存环境等，都被加密存储在区块链上。同时，结合物联网传感器，实时监测药品运输过程中的温度、湿度等环境参数。	实现了药品供应链的透明化和可追溯性。一旦出现药品质量问题，可以迅速定位问题环节，召回相关产品，大大提高了召回效率，减少了潜在的安全风险。
电子病历共享	某地区的多家医疗机构联合建立了基于区块链的电子病历共享平台。患者的病历数据被加密存储在区块链网络中，不同医疗机构的医生在获得患者授权后，可以安全地访问和共享这些病历信息。	提高了医疗诊断的准确性和效率。医生可以快速获取患者的完整病史，避免了重复检查和诊断，减少了患者的等待时间和医疗费用。
医疗设备管理	一家大型医院采用区块链和物联网技术管理其医疗设备。物联网传感器实时监测设备的使用状态、运行参数和维护记录，并将这些数据上传到区块链上。	实现了医疗设备的智能化管理。医院可以及时了解设备的使用情况，提前安排维护和保养，减少设备故障的发生，提高设备的使用寿命和使用效率。

11. 未来发展趋势

随着技术的不断发展，区块链与物联网在医疗保健领域的应用有望迎来更广阔的发展前景。以下是一些可能的未来发展趋势：

• 更广泛的应用场景 ：除了现有的药品供应链管理、电子病历共享和医疗设备管理等应用场景，区块链与物联网的结合还可能拓展到更多领域，如远程医疗、个性化医疗、医疗保险理赔等。
• 技术融合创新 ：区块链可能会与人工智能、大数据、云计算等其他先进技术进一步融合，创造出更强大的医疗保健解决方案。例如，人工智能可以对区块链上的医疗数据进行分析和挖掘，为医生提供更精准的诊断建议；大数据可以为区块链提供更丰富的数据支持，提高区块链的应用价值。
• 标准和规范的建立 ：为了促进区块链与物联网在医疗保健领域的健康发展，相关的标准和规范将逐渐建立和完善。这些标准和规范将涉及数据格式、安全协议、隐私保护等方面，确保不同系统之间的互操作性和数据的安全性。
• 政策支持和监管加强 ：政府和监管机构将更加重视区块链与物联网在医疗保健领域的应用，出台相关的政策支持和监管措施。政策支持可以鼓励企业和医疗机构积极采用这些技术，推动行业的发展；监管加强可以保障患者的权益和数据安全，维护市场秩序。

12. 应对挑战的策略

针对区块链与物联网在结合过程中面临的挑战，可以采取以下策略来应对：

• 技术优化 ：

  • 研发更高效的区块链算法，降低计算成本和能源消耗。例如，采用权益证明（PoS）等共识机制替代工作量证明（PoW）机制，提高区块链的性能和效率。
  • 优化物联网设备的设计，提高其计算能力和存储容量，以更好地支持区块链技术的运行。
  • 加强区块链与物联网之间的接口技术研究，提高两者之间的兼容性和互操作性。

• 安全保障 ：

  • 采用多重加密技术，对区块链上的数据进行加密保护，防止数据泄露和篡改。
  • 建立完善的身份认证和访问控制机制，确保只有授权人员才能访问和操作区块链上的数据。
  • 加强对区块链网络的监控和审计，及时发现和处理潜在的安全威胁。

• 监管协调 ：

  • 政府和监管机构应加强对区块链与物联网在医疗保健领域应用的监管，制定相关的法律法规和政策，规范市场秩序。
  • 建立跨部门的协调机制，加强不同监管部门之间的沟通和合作，共同应对监管挑战。
  • 鼓励行业自律，推动企业和医疗机构建立健全内部管理制度，加强自我监管。

• 人才培养 ：

  • 加强高校和职业院校相关专业的建设，培养更多既懂区块链技术又懂医疗保健业务的复合型人才。
  • 开展在职培训和继续教育，提高现有从业人员的技术水平和业务能力。
  • 引进国外先进的技术和经验，加强国际交流与合作，提升我国在该领域的整体水平。

13. 总结与展望

区块链与物联网在医疗保健领域的结合具有巨大的潜力和价值。通过提供安全、可靠、透明的医疗数据管理和共享平台，这两种技术可以改善医疗服务质量，提高医疗效率，降低医疗成本，保障患者的权益和安全。

然而，目前区块链与物联网在医疗保健领域的应用仍面临诸多挑战，如性能与安全的权衡、吞吐量问题、物联网连接问题、隐私和透明度问题以及监管挑战等。为了克服这些挑战，需要政府、企业、医疗机构和科研机构等各方共同努力，采取技术优化、安全保障、监管协调和人才培养等多种策略。

展望未来，随着技术的不断进步和应用的不断深入，区块链与物联网在医疗保健领域的应用将越来越广泛，为人们的健康生活带来更多的便利和保障。我们有理由相信，区块链与物联网的融合将成为医疗保健行业发展的重要趋势，推动医疗保健行业向更加智能化、数字化和人性化的方向发展。

graph LR
    A[区块链与物联网结合] --> B[面临挑战]
    B --> C[技术优化]
    B --> D[安全保障]
    B --> E[监管协调]
    B --> F[人才培养]
    C --> G[解决性能与安全问题]
    D --> G
    E --> G
    F --> G
    G --> H[推动医疗保健发展]

以上就是关于区块链与物联网在医疗保健领域应用及挑战的相关内容。希望通过本文的介绍，能让大家对这一领域有更深入的了解，共同期待区块链与物联网为医疗保健行业带来的美好未来。