区块链技术应用于医疗健康领域的研究进展

沈世勇 张莎 胡思洋

随着健康中国战略的深度推进，运用新一代信息技术赋能医疗卫生领域，推进卫生健康领域的技术创新，增强卫生健康治理体系整体效能（孙春兰，2020）,对于实现“十四五”期间医疗卫生领域战略目标意义重大。近年来，云计算逐渐成为电子医疗病历共享的新手段，但基于云的电子医疗病历共享方案存在数据存储中心化的问题，一旦云服务器遭受恶意攻击，患者隐私将面临泄露风险（张建楠等，2020）。卫生保健是一个数据密集型领域，健康活动过程中会生成大量数据，要求做到随时访问和定期处理发布，医疗健康数据的敏感性和限制因素，导致其存储与共享管理等过程都至关重要且极具挑战性（Siyal A 等, 2019）。

区块链是基于多种技术整合的新型应用模式，其本质上是一种由全网节点共同维护的分布式全局账本数据库（长铗、韩锋，2016），其去中心、防篡改、可追溯、隐私保护的分散管理特性，为解决健康领域中数据存储和共享的安全性问题提供了路径。区块链技术渗入健康管理过程，支持全员参与，每个参与者都拥有整个系统的数据库，都有机会参与数据库的写入和更新（王珍珍、陈婷，2018），进一步促进健康资源融合。当前区块链技术正以惊人的速度、颠覆性的方式向前发展。无论是国外的GEM、Philips 公司还是国内的阿里健康都推出了基于区块链的健康管理项目，各国政府也纷纷重视区块链技术的应用，2019年习近平总书记在中央政治局第十八次集体学习时提出要探索“区块链+”在民生领域的运用，积极推动区块链技术在医疗健康等领域的应用。如何推动“区块链+”在医疗健康领域的应用，不仅是拓展区块链技术应用的重要方向，更是实施数字化健康管理手段的迫切需要。

关于区块链技术应用于医疗健康领域的路径问题，可以从理论介绍和技术应用两个角度来分析。从理论介绍来看，推进区块链技术在数字货币、可编程金融、底层平台和生态体系的开发等技术创新，能够有利于推动区块链技术的进步。从技术应用来看，学界出现了许多关于区块链技术在医疗健康行业中潜在用途的探讨（Agbo 等,2019），有利于健康信息安全管理，打破信息孤岛，实现对信息价值的最大化使用。本文将从技术层面，梳理和概括国内外学者对于区块链技术应用于医疗卫生领域的各种研究文献。近年来区块链技术应用研究文献愈加丰富，根据笔者对相关文献的整理发现，数据安全、数据维护以及管理系统应用是最重要的三个方面。因此，本文主要概括评述了健康数据安全、诊断数据维护、健康管理系统三个方面的最新研究成果。

一、区块链技术的产生与发展

区块链技术产生至今十年有余，而2008年中本聪发表在比特币论坛上的“Bitcoin: A Peer－to－Peer Electronic Cash System”（Satoshi N, 2017）一文被看成是区块链技术的奠基性论文，中本聪也被看成是区块链技术最早的提出者。区块链技术按照时间先后顺序组建数据模块，形成链式数据结构，利用密码学方法保证数据账本的不可更改。从区块链的技术发展过程来看，经过了比特币为代表的可编程数字货币——区块链1.0；以太坊为代表的可编程金融——区块链2.0；EOS 商业分布式应用区块链操作系统和底层平台——区块链3.0；为各类DApp(分散式应用程序)开发提供底层开发平台的生态体系（公链）——区块链4.0 等阶段。

近年来，各国政府纷纷重视区块链技术，积极推动区块链技术在各项事务中的应用。2016年1月，英国政府发布了Mark Walport 的报告Distributed Leger Technology：Beyond Block Chain （Walport，2016），积极推行区块链在金融和政府事务中的应用。尽管在美国政府中区块链技术推广最终能否获得成功还不得而知，但是，区块链应用于政府项目和运营却受到了欢迎。据IDC 预测，美国政府预计到2022年州和地方政府区块链支出预计将从2017年440万美元增长到2022年的4820 万美元，增长近1000%。在中国，2016年12月颁布的《“十三五”国家信息化规划》，和2018年8月颁布的《关于进一步推荐以电子病历为核心的医疗机构信息化建设工作的通知》中，均从国家政策层面指出区块链技术应得到有效利用（向菲、张柏林等，2018）。习近平（2019）总书记在中央政治局第十八次学习上的指示，更被看成是区块链技术应用于医疗健康等领域的催化剂，为区块链技术应用于医疗健康领域指明了方向。从区块链技术企业应用来看，2017年GEM 公司与Philips 区块链实验室联合优化GEM Health系统，专注于优化药品供应链和医疗数据的安全管理；2018年8月阿里健康宣布与常州医联体合作，实现医疗机构数据可控互联，解决信息孤岛问题。

区块链技术发展，无论是广度、深度，还是在应用场景上的宽度，均取得了较大的突破，尤其是在医疗健康领域，大量的企业级区块链应用，正在催熟区块链技术（华为区块链技术开发团队，2019）。

二、区块链技术在健康数据安全方面的应用

如何对患者健康数据进行隐私保护，是目前我国个体健康信息融入“大数据”应用所难以解决又亟待解决的关键问题。而区块链的技术特性为健康数据的安全存储保驾护航。

（一）区块链技术的防篡改与安全

区块链技术基本特点是链式结构保证数据不可更改。而现代医学作为一种循证医学，立足于医疗证据，以数据信任和安全为基础，区块链技术则解决了可信的存证和不可更改存证。肖丽、林林（2019）等人提出了基于区块链技术的中医电子病历系统架构，旨在通过签名认证和时间戳特性，有效保障医院及患者的利益。在医疗领域手术安全中，Lee S & Lee W（2012）运用“JCI+AI+区块链”综合解决方案保障手术患者安全。Sinjae L 等（2019）认为，在医疗领域，数据信息的授权分发与安全传输的重点在于数据的权属认定,以及由分发过程形成的数据所有者和使用者之间的信任链。Tong Z 等（2019）提出了一个Med-PP 模型，它由一个无许可的区块链和一个许可的区块链组成，名为Med-DLattice，服务于管理用户的个人健康信息，形成医疗数据的链式保护机制，建立了一个安全高效的数据流通渠道，能够防范Sybil攻击、DDoS 攻击等，从而保证了数据隐私安全。

（二）区块链技术分布式存储功能

通过区块链账本分散的方式，存储到每个人的电脑，实现人人可验证的账本信息，降低了黑客更改账本的可能。Hannah S Chen 等（2019）认为通过分散原则，区块链可以提高患者信息的可访问性和安全性，因此可以颠覆医疗体系，建立一个新的体系，让病人自己管理自己的医疗。于戈等（2019）指出区块链的本质是一种多方参与共同维护的分布式数据库，应采用去中心化的数据存储和管理模式，让所有节点都可以获得完整的数据副本，参与到数据的存储与维护中。

（三）区块链技术中非对称加密算法

为了解决存储中共享数据的加密，Sultan等（2016）提出了在不可靠的环境下对数据安全共享重新加密的方法。Craig G （2009）提出“全同态加密”方法，可在未解密的条件下对加密数据进行任何运算。 Mohsin 等（2019）学者结合AES 加密技术、区块链和PSO 隐写技术，提出了一种基于CIA 标准的远程医疗认证安全框架。佘维（2019）等学者从保护数据隐私角度出发，提出一种医疗区块链及全同态加密方案。

（四）区块链技术中的智能合约。

智能合约的概念最早于1995年由学者Szabo 提出。Cruz 等（2019）提出了一个智能合约实现基于角色的访问控制，Griggs 等（2018）则创建了一个智能合约系统，向患者和医疗专业人员发送通知。李燕（2019）对区块链共识机制进行了说明，并构建了区块链共识过程的基础模型。拜亚萌等（2019）设计了基于随机数选举的共识机制,提高了区块入链的时间效率。余维等（2019）提出将全同态加密算法写在区块链的智能合约中，自动实现区块链与合约应用程序的交互。

三、区块链技术在诊断数据维护中的应用

当前学术界主要就诊疗数据，在电子病历系统中的储存、维护、共享、安全和保护隐私等方面进行了研究。

（一）在诊疗数据的存储方面

Linn 和Koo 等（2018）把区块链集成为一个访问控制层, 将医疗记录存储医院的数据库中,指向电子健康记录Hash 值的索引。Lijing Zhou 等（2018）提出了MI Store，一个基于区块链的医疗保险存储系统。所有相关数据都存储在区块链中，因此保险公司、服务器和医院只需要较小的内存和CPU 即可运行。Claude Pirtle 等（2018）的目标是建立大规模的医疗档案保管库，区块链中的链接作为一个应用程序界面的辅助，允许您查看核磁共振成像结果、X 射线、病理结果，以及关于特定患者或程序的无数其他信息。

（二）在信息存储与管理方面

Rahmadika 等（2018）提出了分层分布式电子健康记录模型（EHR）model4，可以在保持患者数据隐私安全的同时将数据信息复制到其他医院，使参与区块链的各方可以在一个视图中有效地收集和管理PHI 数据。Harleen 等（2018）提出了云计算环境下基于区块链架构的医疗数据模型,用于存储和管理电子医疗记录。Gayathri 等（2018）提出设计一个云系统来帮助确保身份验证，区块链技术来帮助管理并确保健康记录的完整性。

（三）在健康数据的共享方面

Emmanuel 等（2017）提出了一个基于区块链的电子病历系统数据共享追踪方案。Alevtina等（2017）认为电子病历是医疗保健领域中重要的、高度敏感的私人信息，需要经常在同行之间共享，提出了管理和共享癌症病人护理电子病历数据的方案。薛腾飞等（2017）提出了一个基于区块链的医疗数据共享模型，数据块由多个Item 块构成，每个Item 块都只存储Item的哈希值以及一个头部信息，这样既有利于各块间点对点网络的传播，又减少了数据校验成本。罗文俊等（2019）将DKG 技术与IBPRE技术相结合，搭建了一个基于区块链的电子医疗病历(EHR)共享方案，其安全性高于POW算法。该方案能抵抗身份伪装和重放攻击，耗费算力较小，中心化程度更高，采用区块链网络和分布式数据库共同存储加密EHR 及相关访问控制策略。

（四）在健康信息维护方案方面

在实际业务中，国内外学者设计出了各种可供选择的共享与维护方案。Liu 等（2019）提出了一种基于医院私有区块链的医疗数据共享与保护方案，以完善医院的电子健康系统。Shuai 等（2018）提出了一种基于人工系统+计算实验+并行执行（ACP）方法的并行医疗系统框架，将区块链技术与PHS 相结合，在人工医疗保健领域提供决策支持和实时优化流程。王辉（2019）则认为需要一个基于区块链技术的信息存储方案，实现医疗信息的存储和共享，能够极大地提高医疗服务效率。梅颖（2017）提出了医疗记录安全存储方案，该方案利用区块链技术和链下云存储技术实现医疗记录的安全存储和共享，称之为健康链。张超等（2019）设计了一个基于实用拜占庭容错算法的联盟式医疗区块链系统，能够防止医疗数据被篡改、泄露。张利华等（2019）设计了一个双区块链结构的医疗系统模型，将医疗记录的共享与存储分开，实现在不可信环境中的访问控制，保护病人的隐私数据在存储与共享过程中的安全性。

四、区块链技术在健康管理系统中的应用

当前国内外区块链技术在医疗健康领域的应用研究主要包括：信用与评价管理、药品溯源与追踪管理、疾病与健康监测管理等方面。

（一）信用与评价管理

Jen-Hung T 等（2018）建议借助Gcoin 区块链系统，开放药品交易信息，并通过药品供应链自动进行检查，每笔交易都会广播给每个参与者，若智能合约发现异常则终止交易。施明毅等（2018）则将区块链技术与云计算、大数据及物联网等新一代信息技术相结合，并通过追溯体系的流通大数据（包括实际交易量、交易价格、交易次数、交易互评等），叠加企业诚信应用系统，形成了现代中药的全产业企业诚信评价模型。常伟（2019）建议将区块链引入互联网交易的信用评价体系，在保护评价者隐私的前提下确保评价信息的真实性，为其他消费者提供及时的参考和依据，且基于区块链建立的互联网交易体系，在防伪和消费者权益保护方面比传统交易体系更加积极有效。

（二）疾病与健康监测管理

在疾病的监测和管理中，国内外学者们纷纷从专项疾病监测、公共卫生监测体系、结构健康监测系统、患者监测与医疗干预、远程监测信息预警机制等方面展开研究。Polina 等（2018）概述了下一代人工智能和区块链技术，并提出了可用于加速生物医学研究，使患者能够使用新工具控制其个人数据并从中获利，鼓励患者进行持续的健康监测的创新解决方案。Fernández 等（2019）认为可以利用能够执行智能合约的区块链构建一个连续血糖检测仪的系统，实现患者数据众包，并开发用于诊断、监测的新型移动健康应用程序，研究和采取公共卫生行动，有助于推进疾病控制，提高全球对糖尿病发病率不断上升的认识。Sudip 等（2019）认为区块链技术有潜力在疾病爆发导致当地和全球卫生紧急情况时，加强疾病监测系统；区块链可以用来识别健康安全问题，分析预防措施，有可能减轻全球疾病、死亡率、发病率和经济成本的负担。Byung 等（2018）提出了一种将物联网技术与基于区块链的地下结构物联网智能合约相结合的分布式网络，该系统使得分散的区块链网络可以有效地部署在结构健康监测中。而Griggs K N 等（2018）则创建了一个系包含传感器与一个智能设备通信的系统，进行实时患者监测和医疗干预。Kristen N 等（2018）建议利用基于区块链的智能契约来促进医疗传感器的安全分析和管理。基于以太坊协议的私有区块链，创建了一个系统，向病人和医疗服务提供者发出警报，解决与远程患者监控相关的许多安全漏洞。黎祖睿（2019）设计了一个基于实用拜占庭容错算法的联盟式传染病数据区块链系统，使用智能合约实现传染病预警机制。

（三）药品溯源与追踪管理

Matthew（2017）提出了一种使用区块链打击药品造假的系统模式，该系统具有在整个生产和分销过程中跟踪药品、开发假冒检测设备以及允许参与者在制造商和供应链之间共享数据的潜力。可利用区块链技术对医药供应链数据进行统计分析，提供溯源数据交易流程和定价策略，药品防伪等方面进行合理应用。有学者基于区块链技术的药品溯源方案，提出了由制造商作为核心企业主导药品溯源，制造商、分销商、零售商各环节将药品生产、转运、销售数据实时上链。何波等（2018）学者也认为通过区块链把药品的追溯认证纳入到市场监管中，消费者通过个人数据的分享，实现购买药品过程透明化，确保药品的合法性，满足监管需求。将药品溯源的划分为：生产环节记录上链、药品包装环节、成品检验及防伪赋码、出入库信息记录、消费者验证五个环节。而韦安琪等（2019）则认为区块链技术能够收集和整合来自整条医疗价值链的参与者组成的分布式网络数据，药品的每一次流通都带有不可更改交易记录的时间戳，全名参与“记账”的方式可以使药品每个环节得到实时监管。

五、区块链技术应用于医疗健康领域的研究展望

（一）技术层面介绍转向管理部门应用

首先，从技术开发向管理实践方向延伸。无论是时间戳、电子签名、药品防伪，近年来学者们强调了区块链技术对传统互联网安全的突破，专注于构建区块链共识过程基础模型、分布式数据等技术的介绍，并致力于将这种加密的安全技术应用于电子病历、医疗数据乃至自我医疗管理等医疗领域中，进而产生了医疗区块链等方面的概念技术。而未来的研究势必会将这种技术层面的介绍走向对区块链应用的系统设计，并将这种区块链底层技术应用于整个管理部门。

其次，从安全管理向生产管理方向延伸。区块链技术起因于其数据的安全性，但在未来生产管理过程中，每一个具体的影响健康生产结果的变量，都可以形成有价值的信息进行归类整合和存储。每一个环节需要对以往数据进行验证，在药品的生产过程中，全过程的数据介入，有助于建立药品性能功效等生产数据，进而影响到药品药用价值。在农产品、肉类、禽类等生产的过程中，借助于区块链技术，形成系统性营养信息库，有助于了解其对于使用这些产品的居民健康形成和变化情况。

再次，从溯源管理向信用管理方向延伸。区块链技术的时间戳功能正在逐步被药品生产应用，成为药品生产、市场监管、防伪等重要的技术手段，未来的研究将这种溯源管理功能放大，广泛使用于药品生产领域的诚信，并对医疗卫生市场、食品市场、健康教育市场、医疗保险市场等交易市场诚信评价发挥作用。在这些市场中，利用已有记录的时间戳信息，完整的记录药品供应、诊疗服务、保险契约等签订的数据信息，并通过共识机制形成运算模型，在交易发生后，即时对比先验信息，利用主体数据进行信用判别，进而起着重要的信用平台作用。

最后，从医疗监测向健康监控方向延伸。区块链技术的研究将会从个体病案的单因素如血糖监测、血压监测、心跳监测逐步向更为系统的健康监控方向延伸。其关键点在于综合利用单因素疾病数据，叠加各种病例、病案可能产生的影响，结合营养数据、诊疗数据，健康习惯、运动数据等多渠道整合数据，监测居民的健康状况，并向社会、居民、行业、政府提供可供选择的健康促进方案。

（二）分割数据共享转向碎片信息互通

当前的研究无论是国外学者提出的基于病人护理的电子病历数据、共享电子病历追踪方案，还是国内学者提出的医疗数据共享模型，以及医疗信息系统的储存、共享、维护，都没有摆脱单类别、单部门、单层次数据的特点，在不同数据之间的互通和联通方面的研究还存在拓展空间。

第一，不同数据格式共享。当前区块链技术的应用主要从行业层面推动角度，分别按照各自需要对数据进行分类的运算和解码。一方面分享了大量的数据，为数据的挖掘提供了基础性信息资源。但另一方面，针对不同类型的信息如图片信息、映像信息、文字信息，尤其是不同信息之间格式的转换，还需要提供更加公允的标准，并将这些信息存储、共享、维护,以便能够真正实现数据类型之间的互通。

第二，分部门信息的共享。当前在药品溯源、防伪、监测方面的信息主要是基于分部门信息实施的。Rahmadika 等（2018）提出了一个来自多个医疗服务提供商的个人健康信息数据管理的概念模型。未来的研究需要将这些分部门的信息如药品信息、诊疗信息、营养信息、保险信息，进行整合和互通，让数据发挥乘法效应，达成一加一大于二的结果。部门数据的共享除了解决技术上的难题，也需要考虑部门利益冲突和体制机制上的矛盾。

第三，分等级信息的共享。当前健康信息共享还存在着不同等级信息分割，如产业信息、微观信息、宏观信息等未能做到有效整合和共享。这不仅加大了宏观政策部门的决策难度，也增加了产业部门信息搜寻、使用方面的生产成本，更增加了居民个体在选择信息决策健康行为的难度。未来的研究将立足于不同维度的主体，基于区块链技术研究可共享的信息体系，为各等级主体的决策提供依据。

第四，分终端传输的共享。未来信息收集重点会是碎片化信息在各个终端系统的收集和整合，如医院诊疗的信息记录、药品使用的出厂记录、药师开药的药品记录、个体终端的运动、营养信息、卫生部门的健康促进信息等终端的信息共享。通过整合不同终端信息加入到区块链系统，形成互通的信息网络，借助于雾计算的理念进行分布式存储和运算，将能够确保信息安全的同时，增加更为充分的数据，提高数据使用的效果。

（三）分部门监测转向全过程健康管理

区块链技术的应用大大加快了技术手段在药品溯源、药品防伪、疾病监测、健康监测领域的应用，而监测和防伪需要和健康管理的终端结合起来，形成决策方案供医疗管理决策部门选择，生成可视化菜单由患者直接选择。所以，未来研究可以考虑如何将这些监测结果数据，借助综合评价体系，运用于居民健康信息管理决策系统。

首先，区块链技术中嵌入机器学习功能。对于区块链技术中共享信息的提取和运算，经由机器学习系统，形成可推演的健康状态预测模拟。这种健康信息系统不仅能够帮助居民有效管理自身的健康状况，还能成为在药品交易、医疗问诊中进行有效政府监督的手段。政府机构可以通过数据挖掘发现的交易模式设置阈值或风险水平，对药品交易和医疗服务过程进行监督。

其次，将健康预测模拟结果生成可视化菜单。先验数据计算与整合产生的预测结果等综合性健康信息，分解到健康预防、营养摄入、健康教育、体育锻炼等领域，生成可选择的健康管理菜单。Angraal 等（2017）认为区块链具有应用于医疗保健行业的潜力，而药品溯源、疾病监测的终极目标是提供可选择的健康管理方案。

再次，居民根据自我需求选择健康管理菜单。居民经由可视化的健康管理菜单，进行选择，并根据界面提示，调整日常生活习惯、营养摄入、体育锻炼等健康行为，并将新的数据加盖时间戳，反馈到健康管理云端平台或者雾端。Matthew 等将存储在iOS 设备上的数据进行共享，形成需要保护数据隐私的生物医学数据流，并使之在同一智能协议中组合使用。Alessia 等（2019）提出了电子病历支持的预防性健康账户（PHASE）。结合慢性病风险评分的预测计算和区块链技术上替代货币的使用，帮助个人投资于更健康的生活方式，提升居民维护健康的积极性。

最后，健康管理系统的完善、反馈与制度设计。健康管理师、计算机技术人员，根据预测值和实际行为结果，修正机器学习体系中的相关参数，调整预测模型，建立新的可选择健康活动界面。同时要研究完善法律法规，加强对区块链技术的专门性立法，打破非技术因素对区块链技术发展的障碍，同时，也要加强区块链技术的监管，充分利用技术优势提升治理体系和治理能力。

总之，区块链技术应用于医疗健康领域是大势所趋，它所带来的将会是一个彼此信任、公开透明以及自动执行的健康管理模式变革（邱宇等，2020）。区块链技术从数据处理技术提升、健康业务流程优化以及健康管理应用拓展三方面深入医疗健康领域，并引入了远程医疗，安全拓展了数据交流能力，降低了监控成本（Zhang et.等，2018），推动健康协作，但如何把区块链+应用到整个健康领域的生产环节，利用好区块链底层技术平台，是医疗健康领域的重大工程。其合理、有序的发展能够开发医疗健康数据资源，保证健康信息的安全性，打通健康信息数据孤岛，增加有效的医疗数据资源供给，提升居民健康和健康管理水平。未来的研究将更加注重对区块链技术的应用，从数据安全性存储向整个数据开发和决策支持系统延伸、将时间戳技术从溯源管理向信用管理方向延伸、将医疗监测向健康监控方向延伸；同时，也将共享不同数据格式，基于区块链的各类技术平台之间制定统一标准，研究如何实现分部门、分等级、分终端信息进行数据共享；并将嵌入机器学习功能，进行监控预测、预警模拟，提供给居民可供选择的健康管理菜单。