发表在第21卷第10期(2019):10月

本文的预印本(早期版本)可在以下网站获得https://preprints.www.mybigtv.com/preprint/13585,第一次出版
面向利益相关者的基于区块链的电子健康记录体系结构:设计科学研究研究

面向利益相关者的基于区块链的电子健康记录体系结构:设计科学研究研究

面向利益相关者的基于区块链的电子健康记录体系结构:设计科学研究研究

原始论文

会计与信息系统,奥斯纳布鲁克大学,奥斯纳布鲁克,德国

*这些作者贡献相同

通讯作者:

Jan Heinrich Beinke,理学硕士

会计与信息系统

Osnabrueck大学

Katharinenstraße 1

Osnabrueck 49069

德国

电话:49 541 969 6185

电子邮件:jan.beinke@uni-osnabrueck.de


背景:数据安全问题仍然是电子健康记录(EHRs)传播缓慢的主要原因。鉴于区块链技术提供了通过去中心化网络验证交易的可能性,它可以作为保护健康相关数据的解决方案。因此,我们确定了特定于利益相关者的需求,并提出了基于区块链的电子病历体系结构,同时参考了现有的关于区块链在电子病历中使用潜力的科学讨论。

摘要目的:本研究旨在在识别利益相关者并系统地引出其需求的基础上,为电子病历引入区块链技术,并讨论区块链技术在电子病历环境中的关键益处(KBs)和关键挑战(KCs)。

方法:基于区块链的架构是在设计科学研究范式的框架下开发的。这些要求是通过结构化的文献综述和与9名卫生保健专家的访谈确定的。随后,通过4个15人的研讨会对提议的体系结构进行了评估。

结果:我们确定了三个主要的EHR涉众群体和34个各自的需求。在此基础上,我们开发了一个五层架构。随后对工件进行了评估,讨论了基于区块链的ehr体系结构的12 KBs和12 KCs。为了解决kc问题,我们为科学和实践提出了五项行动建议。

结论:我们的研究结果表明,区块链技术为提高EHRs提供了相当大的潜力。目前可用的电子病历解决方案有望得到改进,例如,在数据安全、可追溯性和智能合约自动化领域。未来的研究可以检查患者对基于区块链的电子病历的接受程度和成本效益分析。

J medical Internet Res 2019;21(10):e13585

doi: 10.2196/13585

关键字



在数字化过程中,电子健康记录(EHRs)已成为卫生保健部门内最重要的课题之一,因为它们有望显著改善部门间的协作并降低卫生保健费用[1].考虑到包括德国在内的许多国家都没有政府监管的电子病历系统,市场上私营医疗机构的数量正在迅速增加。然而,出于隐私和安全考虑,许多病人不使用电子病历,因为他们担心私人提供者可能出售他们的健康数据牟利[2].

与医疗保健行业类似,金融部门也交换高度敏感的客户数据。在这种情况下,区块链技术作为保护敏感交易的可能解决方案最近受到了关注。区块链技术提供了潜力,例如,在去中介化、去中心化、减少业务伙伴之间必要的信任、改善对数据操纵的保护以及通过智能合约提高自动化等领域[3.-5].这就引出了一个问题,区块链技术是否也能够确保电子病历的使用。虽然一些作者已经分析了区块链对卫生保健部门的一般潜力,但目前还没有关于如何实现这一潜力的具体建议[6].例如,Kuo等人研究了生物医学和卫生保健应用领域的应用可能性[7].尽管这项研究对基于区块链的应用程序的潜力和挑战提供了一个有趣的概述,但缺乏具体的实现可能性。具体来说,缺少对各自应用领域的系统需求分析。进一步的贡献提出了可能的基于区块链的电子病历体系结构[8-10].然而,在这些贡献中,通常不清楚所提议的体系结构是基于何种科学或实践基础开发的。此外,医疗保健系统中利益相关者的需求和利益往往没有被考虑在内。与现有的电子病历区块链体系结构相比,我们的方法遵循结构化的科学开发,旨在包括利益相关者的观点。此外,还有一些贡献为不同的参与者确定了基于区块链的电子病历可能的优缺点[67].然而,根据作者的说法,这些都是不完整的,因为并不是所有相关的行为者都被调查了。因此,可以这样说,到目前为止,没有任何贡献提出了基于区块链的EHR架构,该架构基于(1)多系统地和(2)系统地收集卫生部门所有相关利益攸关方的需求(3),并阐述了(4)已开发架构的主要好处(KBs)和(5)主要挑战(KCs)。其他作者也证实了在这一背景下对未来研究的类似需求[71112].这促使我们调查以下研究问题(RQs):

rq1:哪些利益相关者对电子病历有兴趣?他们对电子病历的具体要求是什么?
rq2:如何在基于区块链的体系结构中实现这些需求?
RQ 3:拟议的基于区块链的电子病历体系结构提供了哪些主要好处和主要挑战?

本文的结构如下:方法框架在方法部分给出。在设计科学研究(DSR)方法的基础上,我们首先确定利益相关者,并通过系统的文献综述和9次卫生保健专家访谈收集他们各自的需求。随后的评估周期通过4个讲习班进行,共有15名参与者,例如,卫生保健专业人员、信息系统专家和律师。结果部分展示了涉众的统一需求、基于确定的需求开发的体系结构,以及来自评估周期的结果。讨论部分着重于从文献、专家访谈和研讨会讨论中得到的KBs和kc。以5项行动建议的形式提出了已查明的知识核心的解决办法。阐述了本研究的局限性,并指出了进一步研究的可能方向。我们的贡献包含了对科学和实践同样有趣的发现,特别是对EHR提供者。系统的需求分析可以作为其他体系结构(进一步)开发的基础。此外,我们还阐明了数字化转型对卫生保健部门的影响。 Another benefit of the developed architecture is that it can be prototypically implemented by companies and thus tested in a real context. The insights gained could serve for refinement of the architecture, which again allows for new findings with a different focus, such as acceptance investigations or a cost-benefit analysis.


为了回答确定的rq,我们应用了DSR范式,该范式使用创新构件解决与人类相关的问题,同时为科学界贡献新知识[13].设计好的工件不仅有用,而且对于理解问题本身也是至关重要的。因此,DSR特别适合作为基于区块链的电子病历体系结构开发的基础。虽然我们已经解决了阻碍电子病历传播的主要安全问题,但我们在开发阶段让利益相关者参与进来,这促进了他们对技术的认识和理解。

解决方案的开发受到环境和可视化的现有知识体系的影响图114].因此,已识别问题的相关性代表了与环境的联系,而与知识库的联系则代表了对相关工作成果的认可和对研究方法的严格应用[15].DSR中的设计周期在开发和评估之间不断变化。在本研究中,我们运用文献综述和9次定性访谈来阐述利益相关者的需求。在这些结果的基础上,我们开发了一个基于区块链的架构概念。在4个有15名卫生保健专家参加的讲习班中对中间结果进行了评价。

为了确定相关的工作,我们根据vom broke等[16].搜索词(区块链或分布式账本)和(EHR或"电子健康记录"或" EPR "或"电子病人记录"或PHR或"个人健康记录"或EPA或EGA或(Elektronische OR Digitale " AND Patientenakte OR Gesundheitsakte))被应用于信息系统和卫生保健数据库,如EBSCOhost、Emerald、IEEE Xplore、MEDLINE、ProQuest、PubMed、ScienceDirect、Scopus、Wiley和谷歌Scholar。

根据文献搜索的结果,我们确定了所有可能使用电子病历的利益相关者。虽然电子病历提供者也是关键的利益相关者,但我们将他们排除在我们的调查之外,因为他们的利益更在于其客户的需求。余下的涉众可分为三组(图2)。主要利益攸关方直接参与提供卫生保健,例如,医生、护理人员和护士、治疗师、药剂师、诊所和医院、实验室、护理服务机构、疗养院以及患者本身[81718].第二级利益攸关方群体包括保险、家庭和亲属以及雇主,而第三级利益攸关方群体包括社会、研究机构、公共当局和保健行业。

下一阶段,我们从相关文献中收集了相关利益相关者对电子病历的需求。为了丰富科学视角,我们还采访了9位卫生保健专家(表1),他们在2018年7月至10月期间代表上述持份者团体[19].这些访谈被作者单独记录和分析。在结果部分,我们整合了各自的需求。通过4个后续研讨会的结果,总共有15名参与者,例如医疗保健专业人员、信息系统专家和律师,我们可以评估我们提出的概念[19].

图1。概念发展的设计科学研究方法(Hevner et al)。电子健康:电子健康;电子健康记录。
把这个图
图2。涉众组的概述。
把这个图
表1。受访专家概述。
没有 描述 工作经验(年) 持续时间(分钟)
E1 药剂师 22 40
E2 卫生保健咨询师 2 31
E3 药剂师 18 27
E4 电子健康应用的创始人和开发者 1 22
E5 男护士和病例经理 30. 24
E6 卫生保健咨询师 7 36
E7 电子健康记录的总经理 7 24
E8 护士 9 22
E9 医生 10 32

需求

基于我们的系统文献综述和9次专家访谈,我们为基于区块链的电子病历确定了总共34项需求(R) (表2)。需求被分配给3个涉众组。

表2。利益攸关方团体对基于区块链的电子健康记录的统一要求。
没有和组 要求 参考文献 E1 E2 E3 E4 E5 E6 E7 E8 E9
主要利益相关者
R1 数据安全一个 71220. - - - - - -b x x x x x x - - - - - - x
R2 数据隐私一个 71220. x x x x x x x - - - - - - x
R3 访问/权限控制,数据主权 820.-22 x x - - - - - - x - - - - - - - - - - - - x - - - - - - x
R4 身份确认一个 820. x x - - - - - - x - - - - - - - - - - - - x - - - - - - x
R5 操作/数据完整性保护一个 7212324 x - - - - - - x x - - - - - - x x - - - - - - x
R6 完整的健康记录一个 21 x x x x x - - - - - - x x x
R7 性能一个 7 - - - - - - x - - - - - - - - - - - - x - - - - - - x - - - - - - x
R8 用户友好的设计一个 25 x x x x - - - - - - - - - - - - x x x
R9机型 上下文相关的信息一个 25 - - - - - - x x - - - - - - x x x x - - - - - -
R10 数据和文件存储一个 20. x x x x x x x - - - - - - x
R11 数据和文件共享一个 81220.21 x x x x x x x x x
R12 可互操作和一致的数据标准一个 1220. x x - - - - - - x - - - - - - x x x x
R13 跨部门沟通一个 1221 x x x - - - - - - x x x - - - - - - x
R14 确保信任关系一个 1220. - - - - - - x - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - x - - - - - -
R15 CRUDc权利 821 x - - - - - - x - - - - - - x - - - - - - x x x
R16 验证方法 821 x x - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - x - - - - - - x
R17 紧急通 26 - - - - - - x x - - - - - - - - - - - - - - - - - - x - - - - - - x
R18 药物/保健计划 2728 x - - - - - - x x - - - - - - x - - - - - - - - - - - - x
R19 状态转换的跟踪一个 8 x - - - - - - x - - - - - - x x x x x
R20 一般行政问题 - - - - - - - - - - - - x - - - - - - - - - - - - x - - - - - - x - - - - - - - - - - - -
一下R21 同步到链下数据一个 8 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -
R22 通知服务 8 x x - - - - - - x x - - - - - - x - - - - - - x
R23 模块化一个 20. - - - - - - - - - - - - - - - - - - x - - - - - - - - - - - - x - - - - - - - - - - - -
: R24 耐心的向心性 12 x - - - - - - - - - - - - - - - - - - x - - - - - - - - - - - - - - - - - - x
R25 工作流支持一个 29 x x - - - - - - x - - - - - - x x - - - - - - - - - - - -
R26 与现有系统的集成一个 829 x x x x - - - - - - x - - - - - - x x
R27 转移表 - - - - - - - - - - - - x x - - - - - - x x x - - - - - - x
次要利益相关者










R28 可伸缩性一个 71220. - - - - - - - - - - - - - - - - - - x - - - - - - x x - - - - - - - - - - - -
R29 发票管理 - - - - - - x x x - - - - - - - - - - - - - - - - - - x - - - - - - - - - - - -
R30 惯用的亲戚 - - - - - - - - - - - - x - - - - - - - - - - - - x - - - - - - x - - - - - - - x
高等教育利益相关者










R31 对合并数据的访问一个 10 - - - - - - x - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - x - - - - - - x
R32 统计数据 1030. - - - - - - x - - - - - - x - - - - - - - - - - - - x - - - - - - - - - - - -
R33 临床研究 31 - - - - - - x - - - - - - x - - - - - - - - - - - - x - - - - - - x
R34 预测分析 31 - - - - - - x - - - - - - x - - - - - - - - - - - - x - - - - - - x

一个为了避免多个条目,应用于所有涉众组的需求(例如,数据安全和数据隐私)只列出一次。

b不适用。

cCRUD:创建、读取、更新和删除。

主要利益相关者

该利益相关者小组最重要的电子病历关注事项与数据安全和数据私隐有关(R1和R2) [71220.].除其他外,由于其分布式结构、使用共识机制和加密方法,区块链技术提供了很大的潜力来抵消这些担忧[8].为保护高度敏感的健康数据,患者应拥有完全访问权和许可控制权,并有可能精确指定每个相关行为者(如医生和亲属)[820.21].此外,它们保持数据主权是至关重要的,这意味着谁有权访问哪些数据的决定由它们负责(R3和R4) [22].例如,如果患者寻求第二个医疗意见,他们可能希望避免第一个诊断影响到第二个医生。

尽管如此,电子病历应包含患者的完整治疗史,以向有关医生提供完整的情况,并允许最佳治疗(R6) [21].因此,能迅速查阅有关资料是极为重要的[7但不能被操纵[7].必须确保这些数据可以更新,但不能被篡改[782123].此外,所有利益相关者群体都需要用户友好的设计和特定于上下文的信息,以避免信息过载[25].

为促进跨部门沟通,储存、检索和共享文件和数据具有高度相关性(R10和R11) [81220.21].这些文件和数据格式应符合一致的标准(R12) [1220.].

此外,区块链技术能够减少相关参与者之间必要的信任,因为事务支持上述机制(R14) [1220.].此外,区块链技术支持数据完整性,因为每个事务都被记录(R5) [7].此外,数据保护尤其重要(R2)。区块链技术基本上可以支持这一点,但这里必须说明其局限性。在分析元数据时,可以得出特定情况下单个个体的结论[832].例如,对常见疾病和经常访问的卫生保健行动者的长期监测可以提供系统的数据分析,并得出有用的结论。然而,由于这与数据保护的目标相冲突,匿名化机制的实现,例如目前一些加密货币如Zcash所使用的匿名化机制,是匿名化交易数据的合适选择[33].

在此上下文中,访问控制(R3)和标识确认(R4)再次扮演了特殊的角色。两者都可以由国家实施,就像目前的卫生系统(如爱沙尼亚)所做的那样。此外,必须在此提及创建、读取、更新和删除(CRUD)权限的分配[821].在这种情况下,必须授予特定组织单位某些权利,例如在EHR中插入新文件的权利。然而,必须保证应用程序(R7)的性能,以便所有事务都能吸引用户组[7].例如,在分配或修改收视权时,应相应地追踪(R19) [8].在公布由医疗保健专业人员新插入的数据之前,有关的病人可通过一个验证方式(R16) [821].

特别是现有系统的集成(R26;例如,医院信息系统、药物用药计划和医生的病人管理系统)是重要的,因为这将需要较少的调整,所有参与者[829].同样,要求对现有工作流程进行集成(R25) [29].此外,还应包括一般行政问题,例如病假状况或目前的保险状况。(R20)。本署亦计划持续进一步发展及相应的功能范围扩展,并可以个别模块的形式实施(R23) [12].

可以改善部门间沟通的另一项功能是编制转院表,其中载有病人从一个机构转到另一个机构,例如从疗养院的医院转到另一个机构所需的所有相关信息(R27)。

这些转帐单包括以前治疗的信息,并向下一个负责的保健行动者传达指示。

在这方面,应急通行证等功能提供所有相关的应急数据(R17;例如,血型和过敏)和药物计划,其中提供了所服用药物的剂量、副作用和药物相互作用的细节(R18) [26-28].通知服务(R22:例如,疫苗接种计划)和特定于上下文的信息(R9),例如,在超过允许的重要参数时触发警报,是进一步有用的增强[8].

互操作性和一致的数据标准(R12)以及通过智能合约实现自动化也可以改善部门间的沟通(R13) [1221].然而,经常存在的问题是,在医疗保健系统中,数据以各种格式和不同的存储位置可用,这大大增加了顺畅通信的复杂性。为了更好地直观地处理病人,用户界面应设计为用户友好(R8)和尽可能以病人为中心[1225].

次要利益相关者

为了确保所有有关行为者提供尽可能大的支持,还必须考虑到次要利益攸关方所规定的要求。例如,EHR解决方案必须具有可扩展性,因为保险公司可能会向所有投保人提供这些解决方案。此外,亲戚模式将为无法自己维护文件的患者提供显著的附加价值(R30)。此外,健康保险公司可以使用该系统来管理他们的处方,并监测治疗的依从性和疗效。

高等教育利益相关者

对于第三利益相关者,对匿名合并数据的分析产生了有趣的可能性(R31) [10].这些数据可用于有关特定疾病、治疗效率(R32)和临床研究的统计分析(R33) [31].研究机构和政府可以利用这些数据预测流感等疾病的爆发(R34) [31].然而,这要求数据集尽可能完整和统一。例如,将(匿名的)数据变现也是可以想象的。这意味着,寻求信息的机构将不得不向相关患者支付使用特定数据的许可。然而,数据只能由用户主动传递(R3、R11和R24),并且各自的机构必须明确指定预期的用途。在侵权的情况下,有效的惩罚(例如,高额罚款,监禁,或被排除在网络)可以施加取决于违反的严重性。

体系结构

作为设计科学方法(第一次迭代)的一部分,我们在多方法收集的需求分析的基础上,在研讨会中开发了基于区块链的电子病历的初始概念。首先,已确定的规定已纳入概念的发展(图3)。

Ølnes将(比特币)区块链描述为总是可以进一步开发的信息基础设施[34].在他的论证中,他引用了Hanseth和Lyytinen的定义[35],他们将信息基础设施的概念定义为一个共同的、开放的(和无限的)、异构的、不断发展的社会技术系统,由一组信息技术(IT)技能及其用户以及操作和设计社区组成。区块链技术提供了多种可能的变化,例如,使用实现的共识机制添加或删除参与者或智能合约(R3)。这使得系统可以定制,以满足特定的需求和要求。已发展的概念(图3)考虑了数据管理的三个基本选项:(1)提供了互连或引用现有数据源的可能性;(2)提供在区块链中存储加密信息的可能性;(3)它允许存储和引用来自区块链(R10和R11)加密的不同数据源的数据。我们有意避免了统一的程序,以保证尽可能多的人可以使用,并具有最高的灵活性。生活在拥有适当数字卫生基础设施的国家的人可能会选择选项1或选项2 (R21)。尽管后者的优点是数据总是可用的,这减少了对其他参与者的依赖,但缺点是在区块链上直接(加密)存储。由于数据保护要求(例如,通用数据保护条例)和技术优势,作者建议引用数据并使用区块链作为访问管理解决方案。这也使充分管理产生的大量数据变得更容易,例如,在临床研究期间。患者可能会被通知数据更改,他们必须批准或拒绝(R16)。

EHRs内的所有过程应在区块链上记录在案,以确保在发生数据泄露或法律纠纷时能够完全跟踪(R19)。Scott在为美国社会发展联合研究所(United Research Institute for Social Development)撰写的一份工作报告中指出,基于区块链的货币,即所谓的加密货币(如比特币),是在金融基础设施薄弱的国家管理现金持有、在不安全、非正式的环境中安全处理当场支付交易的一种相对简单的方式[36].同样,这一概念提供了独立维护数据的可能性(选项2),这对生活在卫生基础设施(数字)较差的国家的人尤其有价值。对区块链的访问应该通过与适当认证机构的注册来实现,以防止不相关或琐碎数据的聚集(R3)。Ekblaw等人的一项研究也发现了类似的考虑[8].此外,如果机构通过其作为Miner的活动提供计算机资源,从而确保网络的可信性,就可以访问聚合的匿名数据(R31)。这种激励机制是基于Ekblaw等人的研究[8].诸如其他参与者对患者数据的访问权限等功能是由智能契约定义的。其他玩家之间的自动契约也可以实现(R13、R14和R12)。通过这种方式,可以支持整个过程,从入院和诊断到治疗,以及任何相关的康复到出院和最终咨询(R25)。

在提出第一个概念之后图3通过与医疗保健专家讨论数据源和功能,我们将这个概念具体化为n层体系结构。基于区块链的架构可以分为5层,如图所示图4:底层数据层、数据访问层、应用逻辑层、应用层、表示层。在所有层面上,都必须考虑伦理和法律影响。

图3。电子健康记录概念蓝图。康复:康复。
把这个图
图4。Five-tier架构。:信息技术。
把这个图
数据层

数据经过标准化处理,以确保兼容性(R12)和部门间沟通(R13)。集成平台提供了已定义的通信模式和接口,用于基于快速医疗保健互操作性资源标准、集成医疗保健企业的标准概要、HL7家族(健康级别7)、openEHR和xDT家族的结构化信息和文档交换。必须考虑到符合国际标准组织(ISO) 21090(卫生信息学-信息交换的统一数据类型)和ISO 13606(卫生信息学- EHR通信)。对于各自信息单元的通用描述,使用的各自有用元素和信息元素的语义存储在集成的元数据存储库中。卫生部门各自的治疗行为者有可能为各自的患者提供数据和文件更改(R15和R19)。

数据访问层

来自不同来源的数据连接到区块链,以确保患者的健康记录尽可能完整(R8)。访问控制对于确保各自的参与者只能访问相关的和发布的数据(R3和R2)非常重要。在这种情况下,角色概念的实现是非常重要的。此外,精确设计的角色概念与规范的访问控制结合在一起,使得数据操作(R5)更加困难。此外,元数据存储库可以支持相关元数据的集成和组织(R26)。例如,来自不同系统的数据可以更好地相互关联,并且可以在数据结构级别识别和处理差异、差距和指标。

应用逻辑层

应用程序逻辑层控制不同应用程序和系统的工作流(R25)。因此,为不同的目的(R9和R31)准备和提供数据。这对于研究领域来说特别有趣,并支持各种统计评估(R32、R33和R34)。

应用程序层

在连接数据(R23)的基础上,可以建立各种服务。模块化概念允许每个涉众只使用相关数据单独配置他们的个人仪表板(R9)。据接受调查的专家说,这尤其导致了紧急通行证(R17)、药物计划(R18)和转帐单(R27)的增值。例如,此时可以应用健康保险公司的发票管理(R28)。此外,将管理权委托给亲属的机会也可以通过亲戚模式(R30)。

表示层

表示层描述如何向最终用户显示服务。用户的功能范围取决于其所扮演的角色,例如,急诊医生可获得的功能和数据比药剂师更全面。尤其重要的是,可以在几乎所有终端设备和操作系统(R8)上使用响应式Web应用程序或本机应用程序访问该平台。特别是现代智能手机,提供了附加安全措施的有趣功能,如指纹传感器和虹膜扫描仪(R1和R3)。因此,还可以以特定于上下文的方式准备和显示信息(R9)。例如,一名戴着增强现实眼镜的护士所显示的信息与一名药剂师所显示的信息不同,后者接收到关于当前药物计划的额外信息,因此可以在早期阶段获知药物相互作用。

评价

在我们的第一个评估周期中,我们讨论了我们将已确定的涉众初始分类为3个涉众组(图2)和3名医护专业人员及3名资讯系统专家。由于这种分类对于EHR架构的设计来说过于粗略,我们通过将利益相关方划分为患者、医疗专业人员、公共当局、药房、研究人员和健康保险(图3)。在第二次由2名卫生保健专业人员和3名信息系统专家参加的评估研讨会上,我们讨论了应包括在这一概念中的数据库。参与者评价医生、诊所、药房和健康保险数据库是EHR体系结构中最重要的数据库(见中数据层)图4)。其余的资料来源在其他行为体中作了概述。

第一个概念草案(图3)在第三次评价讲习班上向5名保健专业人员介绍。每个参与者都从他的专业中添加了特定的用例,我们逐渐将其纳入到概念中。由于用例的多样性,我们决定从入院、诊断、治疗、治疗或康复、出院和咨询这6个方面开始。在最终的体系结构中,我们实现了一个应用程序层,该应用程序层不包括个别用例,但显示了电子病历系统的示例模块,从而降低了复杂性。

在最后的评估研讨会上,我们展示了最终的体系结构(图4)至4名医护专业人士、2名律师及3名资讯系统专业人士。讨论了附加功能和几个数据标准,并将其纳入到体系结构概念中。最后,我们阐述了所提出的解决方案的KBs和KCs。


主要研究结果

在文献综述和专家访谈的帮助下,我们确定了相关利益攸关方及其34个各自的需求,并提出了基于区块链的电子病历的第一个概念。随后,专家们对该概念进行了再次评估,以构建一个5层的体系结构图4.基于区块链的电子病历的发展和引入伴随着几个KBs和kc。在以下内容中,在对KCs进行批判性讨论之前,将介绍KBs,并以5项行动建议的形式提出可能的解决方案。

关键好处

我们确定了基于区块链的EHR架构的12个KBs,我们从文献和专家访谈中总结了它们各自的来源表3.区块链的去中心化是第一个要提到的KB (KB1),因为分布式系统通常不太容易受到系统故障的影响。因此,不存在单点故障(KB2)。个别节点故障对系统安全影响不大。区块链的另一个优势是它实现了各种使数据操作变得困难的机制(例如,共识机制和加密过程)(KB3)。区块链相对较高的安全性(由加密算法和去中心化保证)构成了另一个优点(KB4)。此外,区块链允许记录条目,这使得不正确的治疗决策可追溯(KB5),并增加了患者的安全。此外,它还可以存储整个治疗历史,这大大增加了治疗参与者(KB6)可获得的信息范围,并有助于治疗质量的普遍提高。智能合约可以帮助自动化某些流程(KB7;例如,转介到专家,订购[个性化]药物)。 In addition, data sovereignty is firmly transferred to the patient (KB8) so that the user is the掌握自己的数据.所有相关数据都可以以标准化格式迅速提供给相应的行为者,这大大增加了部门间的沟通(KB9)。此外,可以想象服务提供者直接使用区块链(KB10)处理结账和支付事务。可能的新商业模式正在出现,例如,通过系统评估数据或经纪服务(KB11)。总之,可以这样说,提出的概念在各个层面上都有优势,包括技术(如数据安全)、组织(如跨部门沟通)和经济问题(如新的商业模式)。总而言之,基于区块链的电子病历的优势可以显著改善以患者为导向的治疗现状(KB12)。

表3。基于区块链的电子健康记录架构的主要好处(KB)。
没有 关键好处 参考文献 专家
KB1 权力下放 723 E7
KB2 没有单点故障/漏洞 7 E7
KB3 防篡改 72324 E1 e2 e4 e7 e9
KB4 数据安全 2337 E2 e4 e7 e9
KB5 可追溯性的条目 723 E1, E2
KB6 所有与健康有关的数据概览 21 E7, E9
KB7 通过智能合约实现自动化 38 - - - - - -一个
KB8 患者的数据主权 71223 E1 e2 e5 e6 e7 e9
KB9 通过文件和数据共享改善部门间协作 23 E1, e2, e3, e4, e5, e7, e8, e9
KB10 集成付款应用程序 23 E2, E7
KB11 用于数据分析的新采矿业务模型 821 E7
KB12 Patient-oriented治疗 12 E1 e3 e8 e9

一个不适用。

主要挑战

尽管有这些优势,基于区块链的电子病历仍然面临一些主要的挑战,这些挑战可以从文献和专家访谈中总结出来表4.高能耗,主要是由于使用了工作量证明共识机制,经常被认为是与使用区块链技术(KC1)有关的一个主要挑战。由于高能量消耗和所需硬件资源(KC3),这将导致高交易成本(KC2)。然而,这些挑战主要可以通过两个措施来解决。首先,权益证明等其他共识机制可以显著降低用电量;第二,从联盟区块链的意义上来说,受监管的访问可以保持所需的硬件投资可控。然而,关于访问管制,出现了由哪个组织负责的问题(KC4)。我们目前认为,国家或由不同利益相关方组成的财团是潜在的准入监管机构。当涉及到(进一步)发展的责任和问责制问题以及系统的管理(KC5)时,两者都可以同等地加以考虑。

然而,基于元数据的系统分析提供了全面评估的可能性,并允许得出结论,同时它们必须被视为一个技术挑战(KC6)。尽管目前还没有找到令人满意的解决方案,但加密货币社区目前正在解决这个问题,例如,通过加密货币Zcash的匿名机制[33].另一个需要在未来解决的技术方面是所谓的51%攻击(KC7)。然而,它们在一个财团中是非常不可能的。此外,与传统数据库(KC8)相比,区块链的处理速度相对较慢。例如,比特币区块链需要长达10分钟的时间来将交易写入一个新的区块。然而,这些数据通常没有必要实时提供给其他参与者。此外,这种时间延迟只影响事务数据的写入,而不影响事务数据的读取。为了尽可能提高数据质量和及时性(KC9),必须对输入数据进行核查,这是另一项重大挑战。原则上,各自的用户可以再次确认输入的数据,然后才最终写入。然而,这也可能导致不利的延迟或用户拒绝或隐瞒医生的发现。 Finally, 2 further challenges can be identified, the primary aim of which is to motivate the involved actors. On the one hand, the added value must be demonstrated to patients and health care professionals, and the necessary (technical) skills in handling such complex applications must be developed (KC10). But the benefits for the remaining stakeholders also have to be demonstrated (KC11). According to the experts, this can best be accomplished by focusing on the expected, significantly more favorable cost structure in the long term, which clearly stands out against the costs of the existing, highly fragmented, and thus relatively cost-intensive IT-system landscape. In particular, automation with smart contracts could also address a high savings potential here.

由于区块链技术相对较新,缺乏标准,例如,与其他区块链(KC12)的参考架构和接口相关的标准。

表4。基于区块链的电子健康记录体系结构的主要挑战(KC)。
没有 主要挑战 参考文献 专家
KC1 高能源消耗 39 - - - - - -一个
KC2 高且不可预测的交易成本 101220.2437 E2, E7
KC3 对存储、带宽和计算能力要求较高,可扩展性较差 7101220.3940 E7
KC4 访问和授权问题 10 E5, E6、E7
KC5 发展和管理的问责制 23 E5, E7
KC6 交易的公开情况 7101220.24373941 E2 e3 e7 e9
KC7 51%的攻击 737 - - - - - -
KC8 处理速度慢 71239 E2, E4, E7
KC9 数据导入需要验证 1020. E2 e4 e7 e9
KC10 病人和医护专业人员的技术技能 10 E2 e5 e7 e8 e9
KC11 提供计算资源的动机 23 E2, E4, E7
KC12 标准化 20. E1 e3 e5 e6

一个不适用。

为了应对这些挑战,我们为科学和实践提出了5项行动建议。

建议1

第一个行动建议是制定综合标准(KC12)。可以跟踪和共同设计当前的标准化尝试,如ISO/TC 307(区块链和分布式账本技术),并为卫生部门基于区块链的应用指定该标准化。除了术语、漏洞和参考体系结构等基本主题之外,智能合约的法律有效性或治理方面等法律问题也值得关注。因此,标准化还有助于形成开发和管理的职责,特别是在IT治理(KC5)的上下文中。

建议2

作者建议形成一个跨利益相关者联盟,以解决技术挑战(KC1, KC6, KC7和KC11)和组织挑战(KC4和KC5)。这个联盟可以建立一个区块链联盟(也称为混合区块链),并简化访问控制。此外,财团提供了形成一个有能力采取行动的具体实体的优势,例如,这可以改善利益的代表。原则上,出现的问题是谁将参与该财团,以及这种参与将是怎样的。为此目的,应从所有相关利益攸关方团体中选出联盟成员。

建议3

研究人员和公司应该继续致力于推进区块链技术。因此,加密机制必须尽可能有效地保护数据(KC6和KC8),而共识机制必须尽可能节省资源(KC1和KC3),同时不影响安全性。减少资源使用将加强环境可持续性,并以交易成本(KC2)的形式减少长期财务运营成本。

推荐4

成本是每个项目的决定性因素。由于这样的项目将涉及高(财务)成本(KC1, KC2, KC3,和KC11),因此应该进一步关注商业模式的开发。例如,在(匿名的)数据评估中,可以为(进一步的)药物、治疗和疗法的发展提供有趣的见解。

建议5

第5项行动建议指出,必须授权和培训用户使用当前信息和通信技术(信通技术;KC10),并更多地了解他们当前的健康状况(健康素养),从而能够在一定程度上追踪发现,从而减少系统中的错误条目(KC9)。作者意识到,可能并不是每个用户都能实现这两个目标。尽管如此,其目的应该是让用户尽可能了解现代信通技术的可能性及其健康状况。在这一点上,数字护士或数字学习平台等概念可以提供有趣的视角。

限制

虽然提出的区块链架构应该考虑到所有利益攸关方的需求,为质量卫生保健供应提供最佳条件,但它有其局限性。首先,我们无法采访每个确定的利益相关者群体的代表。例如,需要更仔细地审查保险公司或研究机构的具体要求。此外,我们并没有将最重要的利益相关者,即患者的意见纳入EHR的适用范围。个人对技术创新的态度是高度主观的,取决于年龄、技术亲和力和先前的经验。因此,应该进行定量调查来调查基于区块链的电子病历的接受度。另一个重要的挑战是,评估我们的结果将需要区块链技术方面的深入技术和组织知识。

结论

我们分析的目的是调查区块链技术是否以及如何用于EHRs。为此,我们应用了DSR范式。首先,我们确定了15个涉众,并将他们分为3组。在结构化文献综述和9次专家访谈的帮助下,我们收集了34个EHRs (RQ1)的具体需求。在下一个阶段,我们起草了基于区块链的架构的第一个概念。在4个迭代的评估周期内,我们开发了一个考虑已识别需求的5层体系结构(RQ2)。最后,我们讨论了我们提出的解决方案(RQ3)的KBs和KCs,并导出了解决KCs的5个行动建议。

我们得出的结论是,区块链技术在改善EHRs方面具有相当大的潜力。与目前可用的EHR解决方案相比,区块链技术提供了改进,例如,在数据安全性、可追溯性和通过智能合约实现自动化方面。我们确定了12 KBs,这可以通过使用区块链技术实现EHRs。

然而,仍有一些kc需要克服(表4)。未来的研究应该涉及伦理、社会、环境、技术和经济方面的影响。首先,研究潜力可以在提供计算资源的激励计划的调查中发现。这与以下问题有关:哪种商业模式最适合提供基于区块链的电子病历?在这方面,应当进行成本效益分析。此外,还需要分析数据安全/隐私和攻击威胁等问题。最后,至关重要的是,尤其是患者接受这项技术。如前所述,需要进行量化验收调查以改进应用和加强传播。我们预计,基于区块链的新应用将出现在医疗保健部门,有可能大幅改善现有解决方案,从而提高医疗保健供应的质量。

致谢

作者要感谢Imhorst女士和审稿人的建设性和实质性的反馈。

作者感谢德国Forschungsgemeinschaft (DFG)和Osnabrück大学开放获取出版基金的支持。

的利益冲突

没有宣布。

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域:设计科学研究
电子健康档案:电子健康记录
信息通信技术:信息和通信技术
ISO:国际标准组织
它:信息技术
KB:关键好处
余:关键的挑战
中移动:研究问题


克劳森主编,张鹏主编;提交01.02.19;同行评议TT Kuo, M Bestek, S Sarbadhikari;评论作者31.03.19;接受27.04.19;发表07.10.19

版权

©Jan Heinrich Beinke, Christian Fitte, Frank Teuteberg。最初发表于2019年10月7日《医学互联网研究杂志》(//www.mybigtv.com)

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