区块链技术在医疗领域中的应用前景

毛戈，李晶，朱乔，罗汉华，张琦，谢钢

(华中科技大学同济医学院附属梨园医院， 湖北 武汉 430077)

0 引言

一位化名为“中本聪”研究者(团队)，于2008年在Cryptography邮件列表中首次发表了比特币规范极其概念，比特币交易系统中的核心的区块链技术(Blockchain 1.0)受到广泛应用.区块链技术是一种被称为分布式账本技术的数据库[1]，是继大数据，云计算，物联网之后的又一项具有开创性的应用技术，具有去中心化、高度信任及分布式技术解决方案的特点[2].越来越多的科研机构和科技公司参与到区块链的研究中来，将区块链技术综合应用在技术变革和产业升级上来.第一个区块链的应用是Bitcoin(比特币)，采取的是第一代区块链技术(blockchain 1.0).近年来，越来越多的采取第二代区块链技术(blockchain 2.0)的数字货币涌现，例如Ethereum(以太坊)、NEO(小蚁币)、QTUM(量子链).

多个数据块把一段时间系统内的全部数据通过加密后记载到数据块上，并且生成该数据块的哈希值标识，用于连接下一个指针指向数据块的数据结构，保证不可伪造和不可篡改的分布式账本.同时区块链技术是将数据区块按照时间的顺序以相连的方式组合成的链.

从本质上来看待区块链，比特币可以看做一种狭义上的数字货币，广义上可以被看做数字化货币支付系统.发明人“中本聪”通过区块链的数据整理技术方案来维护和记载比特币管理交易账本，每个区块链的信息成为区块链中相互独立的节点.区块链技术解决了“拜占庭将军问题”，具有不可伪造，不可篡改，可追溯的特点.

近些年来区块链技术逐步与比特币分离，由区块链创新的第三代新型数据存储技术，具有独特技术创新特点，在非金融领域中被迅速地广泛运用.目前，区块链已经被作为通用技术，被广泛地应用于企业管理、纠纷解决、合同管理、供应链管理、保险、医疗行业等[3].

医疗行业作为区块链应用的一块新领域，受到了高度的关注.但是，对于区块链技术在其他领域的应用存在一些不准确的概念、评价和期待，该技术在医疗行业的潜在价值可能造成一些误解.运用区块链技术，展望未来的发展趋势，这些问题都值得医疗行业的从业人员和科研人员关注.

针对以上的若干问题，本文中系统性地回顾了在区块链下实现医疗行业去中心化、实现相互协作、权限管理、数据共享以及安全可靠的数据存储，可以有效地解决上述问题.本文主要内容为：1)概述当前医疗领域现存的问题；2)从技术方面剖析区块链协议机制和关键技术；3)介绍区块链技术在医疗中的应用前景和方案.

1 医疗信息领域存在的问题

目前我国医疗信息管理取得了很大进步，实现了一定程度的医疗信息资源共享.当前随着医疗信息化和生物技术的高速发展，医疗领域数据的类型和规模正以前所未有的指数式速度快速增长，商业价值、社会价值巨大，当前医疗系统庞大但效率不高，医疗数据的安全性和隐私性低.为进一步提高国家医疗事业的发展和医疗资源的合理分配，在当今信息化时代下要加快国家医疗管理信息化的步伐.当前，国家医疗领域存在需要解决的问题，集中于以下几个方面.

1.1 医疗信息的相互操作性由于目前很多医疗机构之间信息尚且不互联不互通，在这3个方面有待提高：首先，患者物理及实验室检查结果不能得到有效共享，不符合国家各级医疗机构的转诊政策；其次，信息不互联，转诊患者重复检查，既延误病情、又造成患者经济损失；最后，全面有效的个人电子病历和药物史数据库尚未完善，不利于医生诊断和病人自我保护.这些问题的存在一方面是因为医疗机构为了保护患者信息泄露，另一方面则是因为共享技术不统一，无法建立统一的信息平台.

1.2 医疗纠纷监管控制当前，由于医疗服务水平不齐，医疗制度还需补充完善，少部分医务人员的服务意识和服务态度有待提升，医疗行业监管比较薄弱，由此导致医患之间的矛盾升级到医院和患者的纠纷，不仅妨碍了医疗卫生机构的发展．也造成一定的社会问题.因此，对医疗人员信息的公开化、透明化及服务质量的有效控制，更是提高医疗管理水平难得的机遇.

1.3 医疗资源合理分配当前国家建立了覆盖全民的基本医疗保障制度，城镇职工医保、城镇居民医保和新型农村合作医疗等3项医保覆盖全民.但是我国基层医疗卫生服务体系起步晚、见效慢，长期存在的问题表现在城乡医疗水平差异巨大，民办医疗卫生机构层次不齐，由于患者没有相对充足的医疗信息资源，造成患者涌向大城市和大医院，使老百姓形成了不论大小病都要到大城市看病的观念，不仅导致医疗资源严重浪费，而且造成患者“挂号难，看病难”的问题.

根据以上存在的问题，特别是医疗信息不互通、不互联的情况，无纸化存储被众多医疗单位所接受，预计到2022年，国内电子病历覆盖率将达到90%左右，因此电子健康记录(electronic health records,EHR)的数据共享将成为可能，该共享方向将是提高和改善医疗服务水平，降低医疗成本和减少医疗出错率的有效途径.

2 区块链技术

2.1 区块链的技术特点区块链技术是去中心化和分布式的数据结构，能够被数据块复制.区块链最显著的优点体现于完全摒弃在传统信息传输方式中对网络核心中枢的依赖.在依赖中心化的信息传输方式，任何计算平台出现的单点失败(single point of failure)，或者单点遭受网络攻击，就会造成系统性瘫痪.区块链通过去中心化方式，在两个或者更多的网络节点之间交互信息，区块链完全克服了依赖中心化的方式中可能存在的单点失败风险.在区块链中，任意节点的权利都是相同的，由于节点之间的交换遵循固定的算法，数据交换是无须信任的，交易方无须通过公开身份的方式让对方对自己产生信任.任何节点都可以验证区块链中信息的准确性，也可以进行数据维护，区块链的安全是靠每个节点来维护.由于去除了对网络中心的依赖，区块链技术减少了数据传输的延迟，加快了数据传输速度，降低了数据传输成本，如图1所示.无中心化机构节省了第三方核心节点，加快了数据传送速度，减少了数据传送费用.

(a)所有的节点都需要通过核心进行数据记录和传送；(b)无中心化数据记录和传送

除了“去中心化”这一显著优点之外，区块链技术还具有以下这3个特点.1)开放性：系统是公开的，除了私有数据进行加密外，其他数据对任何人公开，每个人都可以通过公开的接口查询到信息.2)可编程：以太坊公共区块链平台可以提供完备的脚本语言以供患者来构建任何可以定义的交易类型.3)信息不可篡改：信息经过校验添加到区块链中，就会永远保存下来，单节点上对数据库的修正是没有作用的，因此区块链数据的可靠性和稳定性非常高.

2.2 区块链的区块数字结构区块链是一种电子记录的账本，每一个区块是账本的一页，从第一页连接到最后一页.这些区块一旦被确认后，不能修改，如图2所示.

图2 区块链示意图

任何区块的其中一个交易值发生细微的改变后，哈希数值会发生巨大的变化，会导致区块链断裂.因此，任何区块链中的数据修改都很容易被发现.一旦区块数据入链后，交易值不能发生改变.换言之，区块链中的交易值是无法改变的.如果需要更新某个数值，必须追加一个新的区块.因此，区块链又被称为仅追加账目(append-only ledger).区块链可以依靠专业技术来解决反复支付的问题，系统可以给予明确的时间界定，以此证明该交易确实在该时间发生，交易中的资金一经转移将不可再次被使用.

2.3 区块链技术的应用区块链技术发明之初是针对数字货币的加密，区块链1.0主要应用于比特币为代表的各种虚拟货币，这一阶段区块链技术主要实现的是去中心化的数字货币交易，目标是实现货币的去中心化与支付手段.区块链2.0主要被应用于智能合约.智能合约为金融领域提供了应用平台，基本实现了银行业的所有核心功能，即价值的安全储存和转移，隔绝了第三方介入，而且极大地提高了工作效率.区块链3.0是区块链技术在金融行业之外出现了其他衍生应用.区块链3.0应用涉及工作生活的各种细节，随着其技术的推广，目前已经发展到很多其他行业和领域，对各个行业具有实用性，不再依赖于第三方机构(中心化)获取信任建立信用，通过去中心化的共识方式.2019年的区块链领域有了技术上的突破，公链基础越来越成熟，跨链方案稳健发展，也让该行业领域看到了更多的产品化可能.这些创新对于区块链技术的发展至关重要.底层技术突破是指以太坊的“伊斯坦布尔升级”，主要解决的是以太坊最紧要的性能问题，一旦升级为POS共识，将会极大的增强在公链生态的竞争力.

3 区块链技术在医疗领域的应用

近年来，越来越多的电子病历系统和数字健康解决方案正在被采用，绝大多数医院信息系统仍然采用集中化的数据管理模型，各个医疗系统之间缺乏医疗信息共享.数据共享不仅仅是信息之间的交换，更是多个系统之间的信任机制来促成信息数据的共享使用.

3.1 区块链技术管理医疗信息的技术分析包括所提供医疗服务记录、病人病历信息、药物和设备使用信息、医护人员信息、保险合同信息、医疗事故相关信息等，这些信息都是需要保障安全，不允许被篡改.区块链作为加密货币比特币的技术支撑，在医疗健康信息管理领域中，区块链技术也可大显身手，通过区块链把重要的医疗信息进行保存，可以保证安全性.区块链在医疗管理信息化中的应用体现以下技术特点.

1)“去中心化”的分布式医疗信息管理.完全不同于传统“中心化”的医疗数据交互方式，区块链技术的自信任体制体现于区块链用户无须信任交互的另一方，只要信任区块链协议下的系统即可实现.每个节点会执行该区块链规定的准则，判别每笔数据的真实性和准确性，最后将真实的数据写入区块链之中.因为区块链是一个分布式数据库，通过区块链和云存储技术相结合，实现无缝链接和信息共享.

2)基于区块链的医疗数据存储.医疗单位生成相关医疗数据，并将数据上传.医疗记录元数据包括医疗数据及医疗记录安全传输至患者.患者可以利用个人的私钥打开医疗单位发送来的会话，然后用该会话密钥把医疗数据进行解密.该程序保证了密钥的安全发送和医疗数据的安全、便捷、快速的传递下去.患者对医疗数据进行加密并传到医疗云数据库，这样就可以实现数据存储的分布式.

3.2 区块链管理医疗信息的安全性分析根据区块链去中心化的原则，能够增强医疗系统的纠正错误、容纳错误的能力，这样可以对散落化的医疗数据脱离对中心化的依靠.区块链具有无法攻击的医疗记录数据库，系统信息被网络中的所有节点所共享，提高医疗行业运行效率.因此，区块链技术与智能合约相互依赖，可以为医疗领域的大量的数据整合、信息安全、产品供应链技术支撑方案提供优化.此外，区块链信息在所有网络节点被不断营造了透明和开放的系统，因此医疗行业从业者，尤其是患者，可以充分地了解这些数据何时何地被谁使用.更重要的是，由于区块链整体信息在所有网络节点之间复制，即使区块链网络中的任何一个节点信息受到损毁，区块链的信息仍然保持完整安全.因此，就其本质而言，区块链完全可以保护医疗保健数据免受潜在的数据丢失，破坏或安全攻击，例如恶意软件的攻击[4].

区块链的不可修改性使得区块链的任何记录都非常符合医疗记录的完整性和有效性.使用密码算法对区块链的数据进行加密确保只有具有合法权限的用户才能访问数据，从而提高了数据安全性和隐私性.区块链的这一特点完全支持了欧洲目前通用数据保护条例(general data protection regulation，GDPR)，该条例禁止使用病人数据除非获得允许[5].通过使用加密密钥对区块链进行假名化，患者的健康数据可能可以在医疗从业者之间共享而无需透露患者的身份信息.

3.3 区块链技术在医疗信息领域的具体应用分析1)电子病历.区块链主要应用于存放病人的病历信息数据，创建详细的个人医疗原始数据库．允许患者掌握医疗数据.在病人允许的情形下，医生和医院可以建立病人影像、药物、血生化指标等生命监护数据，然后记录到区块链上.区块链应用于病人电子病历的建立，完全可以解决医疗信息的相互操作性.此外，手术过程中的病历信息是解决医疗纠纷的重要证据．区块链技术不仅记录下完整的手术信息，帮助医疗单位在出现医疗事故之后，区块链对于医疗信息管理可以充分实现了医疗服务数据的完整、保密和不可篡改.

2)健康数据交互平台.随着医疗数字化趋势日益增加，健康医疗数据的共享有利于医疗资源调配，是医护协调的必要条件.面对纷繁的健康医疗数据，区块链健康数据交互平台，完全可以实现多个系统之间基于彼此的信任机制来实现数据有序共享.建立个人社会信用与健康数据交互平台的信息网络，有效抵制“黄牛票”，实施快捷迅速的电子分诊平台，解决看病难、看病贵、住院难的问题，不仅能推进大型医院与基层卫生医疗服务机构的分工协作，而且能高效合理地分配各种医疗资源，加快基层卫生服务的高质量、可持续发展.

3)医疗保险赔付.区块链的不可篡改性可以更安全地记录医疗费用数据，实现了医疗保险数据的安全和不可篡改.也可以自动执行赔偿支付，投保人能够直接支付赔付后的差额，不需要患者垫付.医院和保险公司之间的区块链平台提高了患者保险赔付的运行效率，减少患者经济负担.

4)传染性疾病的监测与预警.监测与预警主要分为固定阀值法和时间模型法两种，固定阀值法是对重大传染疾病设定出现次数阀值，超过阀值就预警的一种事件模型，其本质是增加时空维度的统计分析效率，对出现概率超过阈值即提出预警.由于目前我国的传染病预警系统基于逐级审核汇总上报，缺乏透明性，很大程度上取决于传染病报告站点的人为经验判断，并不是基于大数据分析，应对突发大规模传染病流行有缺陷.建立区域社区型医疗信息管理平台，能够针对传染病预防有效地监控和预防，特别对于突发重大传染病具有监测与预警作用.

4 结论

区块链技术受到了社会各界的关注，但我们也从中认识到区块链技术尚处在初步阶段.区块链技术在数据的互联互通上得到了实现，数据的保密性、不可篡改性都得以解决，这为网络的发展提供了重要的技术支撑，需要我们积极研究区块链技术在整个医疗卫生医疗行业的应用，推进区块链技术在医疗卫生行业的发展.本文中探讨了区块链技术的基本技术概念、发展历史、我国医疗信息化管理发展中存在的问题以及区块链技术在医疗管理信息化中的应用.

基于“中心化”的医疗信息平台出现的单点失败或者网络攻击，就会造成系统性瘫痪.医疗信息数据的区块链通过去中心化，在医疗单位之间信息传递和信息交互，区块链技术克服了单点失败的风险.患者拥有医疗信息的所有权限，其他相关的使用权限也必须由患者配置权限以控制数据对不同用户的访问，使医疗信息数据更加安全可靠.通过相关研究可以实现在区块链下的医疗信息的畅通，减少患者就医的时间，增强医疗行为的公开透明度，提高工作效率.对于目前医疗管理信息化不足的问题，应逐渐完善基础数据资源库，提早统筹规划、合理布局.