区块链与数字技术的整合和医疗保健生态系统的未来:系统回顾

简介

区块链的概念在30年前首次被提出，旨在作为文件的数字时间戳，以防止篡改，功能有点像公证人。然而，它并没有显著发展，直到全球金融危机爆发才被人们注意到。2008年，区块链革命开始了，当时中本聪率先推出了区块链，并通过发布白皮书将其具体化。1之后，他推出了名为比特币的加密货币，作为开放访问协议向公众提供。

区块链被认为是当今重要的突破性技术之一。问题是，是什么让区块链如此独特和有用。

简而言之，它提供了数字信任和透明度，这些东西不仅在数字世界中严重缺乏，而且在日益依赖电子数据的时代也提出了重大挑战，同时将向数字化的转变和取代其他传统数据存储方法视为一个辉煌的目标。需要注意的是，许多数字医疗初创企业都失败了，原因是它们无法说服投资者和用户，或者是因为它们使用的旧技术在完全数字医疗系统建立时已经过时了。

数字数据的安全性，以及它可以被操纵、篡改和故意隐藏以满足利益相关方的事实，可能是一个相当令人担忧的想法。安全方面的担忧已经导致人们抵制使用基于云计算的电子数据。然而，使用区块链技术可能会提供一个突破。

我们将评估涉及2名典型但不同临床场景的患者的案例，然后分析区块链在这些患者管理中的作用。

切诺阿是一名来自怀俄明州夏延市的8岁女孩，她最近被诊断出患有急性淋巴细胞白血病。她的父母都是农民，镇上没有大型的三级医疗中心，可以为危及生命的癌症提供积极的化疗治疗。根据当地血液学家的建议，他们前往科罗拉多州接受专业护理。她在丹佛接受了所有最初的治疗，随后接受了大量的放疗和化疗，并从她的哥哥那里接受了干细胞移植。此外，移植后4个月，没有白血病或排斥反应(移植物抗宿主病)的证据，他们回到夏安镇，与切罗基部落的其他成员一起庆祝他们战胜了癌症。回来一个月后，切诺阿开始高烧，在当地医院被诊断出白细胞计数极低，白血病复发。建议立即转移到科罗拉多州的移植中心。

卡勒德是一名58岁的退休银行家，前吸烟者，住在密歇根州的迪尔伯恩，患有高血压、冠心病和慢性肾病，为此他每周进行三次血液透析，并在肾移植名单上。他离婚了，单身;然而，他住在克利夫兰(俄亥俄州)的女儿经常来看他。他最近被诊断出患有心力衰竭;鉴于迪尔伯恩不稳定的医疗系统和缺乏看护人，他暂时计划搬到女儿家。

以上两个例子描述了美国这个发达国家的现实场景;尽管美国的医疗成本是世界上最高的，但就数字医疗而言，美国的医疗体系是脱节的。考虑到美国卫生保健系统的障碍和复杂性，卫生生态系统中的错误和浪费会直接影响像Chenoa和Khaled这样的患者的结果。

由于Chenoa的感染导致感染性休克，她变得越来越不稳定，因此转移被推迟。尽管重症监护室(ICU)的管理是最佳的，她正在接受多种抗生素和血管加压药，但她稳定和转移到丹佛的希望越来越小。入院前几天，切诺阿因为发烧和类似流感的症状被送往当地另一家医院，在那里她被开了抗组胺药的门诊处方。尽管她的移植团队已经指示她的父母有任何问题可以打电话给他们，但这是一个非常小的问题，而且并不完全出乎意料，社区里的当地医生没有意识到切诺阿表现出的免疫抑制状态的深度。在重症监护室接受高度积极治疗一周后，Chenoa死于败血症引起的多器官衰竭。

卡勒德的故事有不同的转折;他的女儿草率地决定带他去俄亥俄州，但他的病情迅速恶化。她不得不直接把他带到克利夫兰的一个大型三级医疗中心，那里的急诊室医生对他进行了适当的评估和分类，并不懈地试图从底特律获得哈立德医生所在的医疗记录。在到达医院的几个小时内，他两次出现心脏骤停，在与女儿讨论后，经过长时间的努力，心肺复苏似乎是徒劳的，最终停止了。

幸运的是，美国的大多数患者并不是上述病例的例证;然而，由于缺乏值得信赖和安全的医疗保健数字基础设施，类似的问题经常发生。Chenoa和Khaled死后出现了许多问题，其中最重要的问题是，是否是个人或医疗保健生态系统方面的医疗失误导致了他们的致命死亡(例如，这些死亡是可以预防的吗?)

我们对专注于区块链的新型医疗保健生态系统的文献进行了系统综述，然后根据当前数据考虑Chenoa和Khaled的案例。

方法

文献检索

作者根据医学主题标题使用术语“区块链”和“healthcare”搜索文献，以确定相关的现有工作。入选标准集中在与卫生保健和临床研究相关的研究;提出了一个工作框架，并进行了数据实现和测试。排除标准在图1．

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本系统综述的文献来源为PubMed、Medline和Cochrane图书馆，此外还初步检索了IEEE Xplore，其中的作品侧重于技术而非医疗保健结果。

审稿人创建了数据提取表，并确定了所需的数据，对31篇全文研究进行了批判性评价;其中，最终筛选出9项研究，总结于表1．

首先，我们为读者概述了区块链的基本元素，然后详细解释了具体的方法。

区块链技术概述

区块链技术使其成为革命性技术的三大支柱是去中心化、透明性和不可变性。块是一种虚拟数据存储单元，用于保存记录、事务或其他数据方式。每个区块都使用加密技术按时间顺序链接到前面的区块;一旦创建了块，它就永久存储在区块链上，不能修改或删除，因此变得不可变。如果要更新网络节点、进行另一项交易或添加新数据，则必须向链中添加一个新区块;所有先前的块仍然是不变的和可见的。区块链的另一个方面是，它是一个使用分布式账本技术的去中心化数据库，它同时在多个节点上存储数据的完整副本，不像大多数其他数据管理技术，数据存储是集中的，这意味着它存储在单个位置，主要是在单个服务器或主机计算机上[2］．

区块链的不变性归因于不同的因素;每个块都有一个自动生成的头，它有唯一的标识和时间戳。区块也有一个哈希键，这是前一个区块的头。因此，所有区块都在各自的区块链中互锁。

一旦经过验证的许可节点(节点C)想要添加新数据或进行交易，就会向所有关联的区块链节点发送请求，以验证节点C的区块链的内容是否与所有其他节点(节点a、B等)的内容匹配。除了确保所有块标头的完全匹配外，还将为新块生成唯一的签名标头。只有节点批准后，新添加的块才会添加到区块链中。

区块链可能是无许可的(公共)，许可的(私有)，有时是混合的，如下所述。公共区块链允许任何用户加入、查看和向账本添加数据，这提供了最大的透明度。然而，私有区块链只允许那些有权与网络交互的人，通常由一个组织控制和维护，与公共区块链相比，它提供了更好的隐私和可扩展性。最后，在基于联盟的区块链中，它是其他两种类型的混合体，查看和写入访问的配置由一组组织或实体决定。

基于对区块链技术的概述，我们介绍了区块链的显著特征，包括网络安全、应用程序以及与之相关的各种领域。

结果

这一系统审查的结果暗示了区块链的各种应用，以及用于建立区块链的方法中的各种技术差异[3.-10];中提供了摘要表1．

所有研究都涉及电子健康记录、临床试验[6-8]，或利用物联网(IoT)整合设备[3.，5，9，10］．

中国物理科学研究院的研究人员提出了一种名为Med-PPPHIS的模型，它结合了无许可和许可的区块链，旨在实现慢性疾病管理的闭环方法;利用自主研发的各种物联网医疗设备，如健康参数评估工具、运动和功能性能评估设备、可穿戴式心率监测器、智能健身设备等，利用Med-PPPHIS进行国民体质监测和科学运动指导。区块链通过超过500个节点的25个虚拟机模拟测试，结果显示了优越的安全性，更高的数据传输速率和低延迟[3.］．Hylock和Zeng等人使用了另一种方法，他们使用概念证明工具在各种场景中广泛测试他们提出的框架的所有16个配置，他们展示了与上述研究相似的结果[4］．

区块链与物联网设备集成，用于评估和监测特发性震颤疾病;在本研究中，除了智能手表和多个空气系统的数据外，患者还可以使用智能手机报告自己的位置和活动，自我评估自己的疾病活动，记录加重和缓解因素，全面了解自己的疾病状况。作者得出的结论是，区块链在数据访问管理方面提高了效率、可扩展性、降低了成本和灵活性[5］．其他研究使用物联网设备和区块链来监测患者[9，10］．他们已经创建了可以分析和管理医疗传感器数据的系统，并使用智能合约根据患者定制的阈值和异常模式发送警报，同时将数据集成到患者的电子病历中。

最后三项研究[6-8]更多地关注区块链在生物医学研究和临床试验中的应用，提供具有定制智能合同的概念证明框架，允许根据研究人员特权级别和患者控制的授权对数据访问进行更多控制。研究人员还加入了额外的安全措施，如医生访问的生物识别验证。此外，区块链已被用作诊所、金融赞助商和参与者持续试验监测的解决方案。

区块链在许多临床和研究领域都有重要作用。因此，一些政府正在探索为所有公民的电子病历建立一个全国性的区块链。爱沙尼亚是世界上第一个拥有基于区块链技术的电子病历数字医疗生态系统的国家，并为世界提供了数据完整性和效率的模型。其他一些国家正在宏观层面上采用区块链，以减少医疗浪费，提高效率，并最终改善结果。然而，除了技术失败的传统风险之外，可扩展性仍然是一个挑战;例如，使用区块链存储连续遥测数据的超级账本每秒处理800笔交易还不实际。尽管如此，研究人员希望随着当前技术的进步，能够尽快推出针对区块链存储优化和重新设计的具体解决方案[11］．另一项研究[12评估了互联网上基于区块链的在线机器学习工具ExplorerChain的性能，该工具使用3个独立的不同数据集(心肌梗死、癌症生物标志物和住院时间)。研究得出的结论是，ExplorerChain的性能与基于中央服务器的算法一样好，同时提供了分布式模型的好处。然而，这些好处的代价是效率的代价。然而，随着超级计算机的崛起，与运行区块链相关的成本可能会随着时间的推移而降低。

让我们回到卡勒德和切诺阿的不幸案例。想象一下，他们生活在一个数字化的国家(即，一个智能国家而不是智能城市)，所有的电子病历都在私人或基于联盟的区块链上。

讨论

网络安全

电子病历在提供顺利、安全、高效的医疗保健服务方面发挥着至关重要的作用。由于许多国家目前没有统一的卫生保健系统，数据共享和互操作性(以安全的方式)对于为患者提供最佳护理至关重要。然而，这一直是当前卫生保健管理系统的一个主要问题。数据是最有价值的商品之一;由于越来越依赖数字系统，网络犯罪分子在巨大的经济激励下调整了他们的方法，特别是通过出售人们的身份数据。因此，医疗记录目前在黑市上比社会保险号更有价值，因为它们包括出生日期、家庭地址、联系数据、健康数据和其他敏感数据。电子病历数据可用于各种犯罪活动，如身份欺诈、保险欺诈、网络钓鱼和勒索软件，使患者受到损害并容易受到伤害[13］．过去十年，针对医院系统的网络攻击在全球范围内有所增加;这类攻击不仅阻碍医疗服务的提供并造成经济损失，而且还影响患者对医疗提供者的信任[13，14］．

2018年，针对SingHealth(新加坡卫生服务)的网络攻击导致150万名患者的记录受损[15];这被认为是新加坡乃至全球最大的数据泄露事件之一。它引起了相当大的争议，关于患者数据的安全性和背后没有实施任何重大措施改变电子病历数据系统的原因。与传统的EHR存储方法相比，区块链由于其分散的性质，是一种潜在的安全且不可更改的数据存储和管理方法。这意味着链的最新版本被复制、发送并广泛分布在一个巨大的节点网络中;没有黑客可以攻破的薄弱环节。每个块都有一个自己的键，此外还有前一个块的哈希键。一旦用户发出交易请求，区块链协议就请求网络节点验证整个区块链内容的有效性。这反过来意味着，除非网络节点验证链的当前版本与他们的相同并批准交易，否则它不能被添加到链中[16，17］．

此外，交易验证使用密码机，这些节点拥有专门的硬件和软件，能够解决能源密集型的密码谜题。要想通过改变账本来获得足够的计算能力来入侵区块链数据库是极其困难的。区块链越大，分布越广，黑客攻击所需的计算能力就越大，安全性也就越高[16，17］．

最后，使用数字签名来验证希望访问或向区块链添加数据的人的身份。可以添加硬件安全模块(hsm)等附加功能作为附加层，以进一步加强对患者数据的保护。hsm是用于保护高度敏感数据的专用硬件设备。HSM充当受信任的网络节点，执行若干加密过程，如密钥生成和管理，以及数字签名的加密和解密。hsm通常放置在一个安全的物理位置，不能被访问，从而使它们成为高度防篡改的系统[18］．

医疗保健中的应用和使用领域

区块链技术已经在从银行业到供应链管理的许多行业蓬勃发展。预计这将对医疗保健行业产生重大影响。根据Market Research Future提供的2018年至2023年预测报告，全球区块链市场预计将呈指数级增长。

从根本上讲，从患者的角度来看，区块链在建立患者个人健康记录方面的潜在作用可能是重要的。该技术面向患者的应用将受益于个人健康记录、自付费用、覆盖与未覆盖服务、临床试验搜索、临床试验同意和“组学”数据解释的一个窗口和一个操作系统。

该综述集中在5个主要领域，其中大多数与医疗保健相关的实施都属于远程患者监控(包括物联网设备)、电子病历、以患者为中心的互操作性、临床试验数据管理和货币化，如图所示表2而且图2．区块链技术在医疗保健领域的潜在应用领域描述在图3．

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物联网概念、区块链和临床试验

区块链与人工智能(AI)、物联网和大数据管理等其他技术的集成可以非常有效，并作为创新和提高效率的催化剂，这对于数据的解释和管理是非常宝贵的。

物联网指的是人、物和设备都通过互联网连接在一起的世界，允许他们在网络上无缝收集和交换数据。从咖啡机、可穿戴设备、传感器到家庭安全系统，物联网可能会改变人们的生活方式，因为5G无线技术(具有高带宽和低延迟)正变得唾唾得。网络上的所有数据流都可以互锁，而不需要人工交互。未来的智慧城市是基于物联网设备和应用的。此外，由于其无限的应用可能性，它已经得到了利益相关者、投资者和各种组织的相当大的关注。19-21］．

来自传感器和可穿戴设备的数据可以彻底改变医疗保健的看法和提供方式，特别是在以患者为中心的护理、精准医疗和个性化医疗服务的时代。物联网可以改变医疗保健的方法，并将以患者为中心的护理提升到一个新的水平，人们可以负责自己的健康，为患者和医生提供关于患者生理状态和健康状况的宝贵的连续实时数据，从心率、温度或睡眠习惯等数据，到通过各种生物传感器技术测量生物液体中的生化标记物。当超过某些阈值或检测到异常模式时，还会发送警报[22-27］．

将物联网技术与区块链技术结合使用可以最大限度地发挥其功效和潜在用途。通过不同物联网设备传输的大量各种数据可用于收集大量宝贵的数据，供研究人员分析和解释。它还可以用于急需数据的人工智能技术公司、公共卫生监测、疾病爆发监测(如监测COVID-19)、流行病学和面向患者的结果[28-33］．

人工智能一直是医疗创新的关键催化剂之一;例如，麻省理工学院的研究人员通过训练有素的深度学习模型，突破性地发现了一种使用人工智能技术的新型抗生素，该模型能够生产一种名为Halicin的强大广谱抗生素[34］．然而，人工智能最关键的缺点之一，也是实现革命性利益的关键组成部分，是需要大量数据来训练其模型，以产生准确和有用的输出。AI、物联网和区块链技术的组合可以是强大的，其中物联网设备提供数据(输入)，区块链促进其传输到各种机器学习，深度学习模型可以将这些数据转换为非常有用的输出。机器学习领域的一些最新发展正在显著推动区块链与医疗保健领域的人工智能更好地集成。这使得区块链技术在医疗保健应用程序的安全性、隐私性、功能和操作方面得以改进[12，35，36］．

临床场景，潜在应用和结论

如果切诺阿有物联网设备，可以全天候监测她的生命体征(特别是体温)，并且信息通过区块链实时传输到由机器学习算法驱动的实时监视器，那么她的体温波动和趋势将促使她更快地返回移植中心。虽然用于检测癌症(或复发)的纳米技术和基于物联网的传感器的研究尚处于起步阶段，但用于监测生命体征的物联网设备已经证明了它们在监测患者生理状况方面的有效性。此外，如果Chenoa的电子病历可以通过区块链向全国所有治疗她的临床医生提供，可能会引起当地治疗她的医生的紧迫感。

对于卡勒德来说，急诊室医生无法轻易获得他的电子病历，这可能是医疗生态系统脱节的一个经典例子。如果有物联网设备检测心力衰竭患者的钾、氧和生命体征，它们可能有助于挽救许多心脏和肾脏疾病患者的生命。此外，在区块链上有一份生前预嘱和委托书信息在某些临终案件中也会非常有帮助。最后，对于成千上万参与临床试验的患者来说，区块链的知情同意对试验发起人、伦理委员会(如机构审查委员会)和患者护理提供者非常有益。

因此，区块链的潜在好处是无限的;然而，基于人工智能和物联网驱动和补充的区块链的长期临床结果的具体数据尚未实现。尽管如此，区块链作为一种在全国范围内整合电子病历并以算法方式管理常见临床问题的新方式的实施，有可能挽救像Chenoa和Khaled这样的数千人的生命。