面向智慧醫療的區塊鏈關鍵技術研究與應用*

尹 浩 李心怡

(清華大學北京信息科學與技術國家研究中心 北京 100084)

1 引言

從技術演進角度看，醫療信息化發展歷程可以劃分為信息化、可視化、網絡化與智慧化4個階段，見圖1，每階段醫療服務模式都受當時信息化技術的影響。近年來，人工智能(artificial intelligence，AI)、大數據與區塊鏈等新一代信息技術不斷發展與應用，推動醫療服務模式從傳統的以醫院治病為中心轉變為以患者服務為中心。未來有望借助數字療法和醫療器械對患者進行全病程管理，構建數字化患者，通過AI與醫生在線診療相結合構建數字化醫生，推動實現數字空間在線問診等醫療服務，改善患者就醫體驗并提升疾病治療效果。

圖1 智慧醫療發展趨勢

在醫療服務的智慧化與數字化過程中面臨著業務數字化程度低、院內數據價值挖掘難和醫療相關機構間信息共享協作難等具體問題。為克服這些挑戰，需要利用新一代信息技術構建新型信息基礎設施，將高端醫療能力以信息技術為載體有效賦能給基層單位，促進醫療服務快速發展。對此，筆者認為區塊鏈技術作為被廣泛認可的“信任機器”，具有可追溯、不可篡改特性，是構建上述信息基礎設施的核心技術。區塊鏈技術能夠幫助開展智慧醫療場景下數據要素流通全價值鏈的治理、賦權與監管，為數字化應用提供追溯和審計能力；明確不同參與方的貢獻、權益分配與歸屬，保證數據要素化與流通應用形成規模化數字經濟生態；建立高可用的信任體系實現數據以及數字化產品的高效利用與共享，降低協作中的不確定性[1]。

2 國內外相關研究

2.1 智慧醫療發展技術難題

2.1.1 智慧數字化 智慧數字化服務主要依托于AI模型展開，需要高質量訓練數據、充足的算力資源與多機構部門合作協同建設。醫療數據具有數據量大、異構化、多源化、隱私要求高等特征，因此存在治理成本較高、算力資源依賴性強、醫療機構間協作復雜等困難，影響AI模型的訓練和推廣[2-3]。在醫療文本理解與應用領域，語種差異也使基于英語文本數據訓練的AI模型難以直接應用于中文電子病歷，需要額外的中文語言處理工作和知識工程建設[4]。此外，AI目前很難實現高可信的人機融合，醫療服務的低容錯性和模型輸出結果的可解釋性差之間的矛盾也限制其深入應用[5]。

2.2.2 數據服務化 目前，提供數字化醫療服務的主流機構通常要求患者將數據提交至云平臺以獲得服務。然而，這種服務模式容易導致數據失控、服務商數據壟斷、隱私泄露或難以保障服務質量等問題。從技術角度看，這是受到現有主流馮·諾依曼計算機體系結構的影響，即數據與應用緊耦合的計算模式。近年來學術界與工業界嘗試通過構建數據與應用松耦合的新計算模式以解決這個問題，萬維網之父蒂姆·伯納斯-李(Tim Berners-Lee)提出一種名為SoLiD的新型計算架構，希望通過完全由用戶持有并管理的個人數據存儲空間防止數據被壟斷和濫用[6]。美國麻省理工學院媒體實驗室則試圖利用區塊鏈技術解決數據流通面臨的諸多難題[7]，相關技術公司先后提出聯邦學習框架支持構建“應用跟著數據走”計算范式，創建DokChain支撐醫療數據共享[8]。

2.2.3 協作高效化 目前醫療、醫藥和醫保部門之間的協作效率偏低也是影響公眾就醫體驗的一個難題。社會選擇理論[9]和信息經濟學[10]指出激勵和信息對稱是影響協作效率的重要因素。盡管醫療信息化能提供部分能力支撐，但仍然面臨數據與身份可信性、信息不對稱、協作過程中工作流程缺乏靈活性、難以適應政策快速變化和缺乏激勵機制等問題。針對這些難題，美國食品藥品監督管理局已經嘗試采用區塊鏈技術來解決藥品流通中的協作困境。我國也正在進一步探索相關領域的創新方法來提高協作效率。

2.2 區塊鏈技術在智慧醫療領域的應用

2.2.1 美國 在美國，區塊鏈技術已被應用于醫療數據生態系統、電子病歷共享、制藥和供應鏈等方面。2016年麻省理工學院提出基于區塊鏈的電子病歷共享系統MedRec[11]，致力于提供一個全面的、不可變的日志，使患者可以輕松訪問醫療服務提供者和治療站點之間的醫療信息；2019年制藥企業輝瑞、美源伯根和麥克森等聯合推出MediLedger項目[12]，制藥商、批發商和醫院等藥品供應鏈上的節點都能夠在區塊鏈上記錄藥品運送數據，以保障制藥及供應鏈真實性；2021年有公司發布區塊鏈醫療網絡以解決傳統醫療機構之間數據交換低質量和低效率問題。

2.2.2 歐洲 歐洲在醫療記錄、個人健康數據跟蹤和保險應用等場景積極推動區塊鏈技術實踐。2018年首次在英國使用區塊鏈技術使患者完全掌握個人醫療記錄；同年德國某咨詢集團提出一種基于區塊鏈的解決方案Hypertrust X-Chain[13]，使生物技術和制藥公司能夠在同一平臺上安全可靠地設計、規劃和運行供應鏈；2020年由創新藥物倡議和歐洲制藥工業聯合會資助的醫療保健區塊鏈項目PharmaLedger宣布最新的8個用例案例，提供更多參考模式。

2.2.3 亞洲 2020年韓國非政府組織Commons Foundation開發基于區塊鏈技術的醫療健康平臺，利用區塊鏈公共服務開展流行病學研究。從2020年起中國國家衛生健康委員會積極強調AI、區塊鏈、5G等新興技術與醫療健康行業的創新融合。2022年《“十四五”的衛生健康標準化工作規范》中提到要推進區塊鏈、大數據等新興信息技術與衛生健康行業融合性標準的供給，加強衛生健康信息標準應用效果評價，促進信息共享互認和互聯互通。在產業界，阿里、京東與其他單位也開展了一系列在區塊鏈和智慧醫療應用場景的結合應用推廣。

3 區塊鏈技術驅動新一代信息技術賦能智慧醫療

3.1 區塊鏈技術

區塊鏈技術是一種由密碼學、分布式共識算法與點對點網絡等技術創建的分布式賬本，可存儲交易數據。區塊鏈由被共識確認的區塊按時間順序使用加密鏈接不斷追加串聯形成，每一個區塊里面包含前一個區塊加密后得到的哈希值，相應的時間戳以及交易數據，這樣的設計使區塊內容具有難以偽造、難以篡改和可追溯的特點[14]。

區塊鏈技術對構建信任與提升協作效率都發揮著極重要的作用。區塊鏈技術能夠提高單個組織或個人在統一共識規則下按照自治方式進行協作的效率[15-17]，保證共享和協作過程中的歷史記錄難以篡改和偽造，并且鏈上數據及行為源頭追溯方便，從而降低協作中的不確定性和風險。具體而言，其技術特點主要包括以下4個方面：區塊鏈技術是一種可以同時完成記賬與對賬的分布式賬本；共識機制保證鏈上信息得到全網認可；支持智能合約的區塊鏈提供可編程的業務應用；分布式架構使區塊鏈技術的運營與維護不依賴于中心機構，而是依賴于激勵機制和市場化規則自我“更新”[18]。

3.2 區塊鏈技術對智慧醫療的核心作用

3.2.1 確保醫療數據完整性 保障醫療數據的隱私與安全是醫療信息化系統中至關重要的任務，而區塊鏈技術的特點使其非常適合用于確保醫療數據完整性。物聯網安全領域公司Cynerio的調研報告指出，在全球300多家醫院1 000多萬臺聯網醫療設備中，53%存在已知漏洞，17.5%存在重大風險[19]。涉及的風險包括醫療數據可被攻擊者篡改、訪問控制存在隱私泄露漏洞及數據不透明等問題。區塊鏈技術能夠提供可信的鏈上數據并實現不可更改的可靠工作流。當設備發生故障、意外或由于安全攻擊而導致故障時，鏈上記錄可用于實現操作追溯和問責，并依賴群體共識避免節點失效及單點依賴問題。

3.2.2 引入權屬和權益證明，實現數據可信流轉 區塊鏈技術能夠引入權屬和權益證明，實現價值流轉，推動激勵機制建設。區塊鏈可以提供可編程的通證能力，以便將權力與權益轉化為可流通的加密數字權益證明，實現現實世界中的權益在數字世界中的映射。在智慧醫療領域中，通過將數據應用過程中數據或數據產品的訪問、授權、撤銷等權利通證化，使患者、院方及其他參與應用醫療數據或數據產品的組織方受到區塊鏈技術的保護，快速實現權屬的靈活管理和權益、價值的流通。在此領域，麻省理工學院媒體實驗室已基于智能合約體系構建MedRec架構，支持由患者對自己醫療數據進行管理，并向醫院和衛生管理機構進行訪問授權。

通證化權利和權益也將推動更高效的數據要素化與流通應用變革[20]，見圖2。在傳統的消費模式中，信息流、價值流和管理流是獨立的，由監管機構負責管理，信息平臺提供信息，獨立的第3方銀行或中介機構負責交易。但在區塊鏈平臺中，區塊鏈技術的特點能同時提供監督權、記賬權和使用權，使數據對象的使用過程或權屬權益證明流通過程中能夠同時完成使用、對賬、認賬、記賬、交易以及存證，大大降低了使用數字化產品或者數字化對象流通過程中的不確定性與應用成本。

3.2.3 構建去壟斷化應用，打破巨頭壟斷 區塊鏈技術能夠構建去平臺壟斷化應用，如保護智慧醫療服務中的用戶身份。個人在數字空間中的身份只能用數據代表，因此身份主權在數字世界中尤為重要，也是支持未來基于數字人的智慧醫療服務的身份認證和信任機制的基礎。然而，現有的身份認證機制容易造成巨頭壟斷與平臺控制。區塊鏈技術無中心權威、中立性原則、資產可追溯可證明與無障礙協作的特點，都有利于建立分布式自我主權身份系統，支持可完全由用戶控制的數字身份建立。

3.2.4 提供高效的組織和協作機制 區塊鏈技術能夠帶來組織協作模式的變革[21-22]。基于區塊鏈技術衍生出的新組織協作模式被稱為分布式自治組織(decentralized autonomous organization，DAO)，是一種通過區塊鏈協議在共享規則下分權自治完成決策并自動執行任務的組織形式。DAO通過智能合約將組織的管理與運營規則以代碼形式寫在鏈上，參與者依據合約規則進行分布式自治管理。當組織需要進行決策時，一般通過參與者投票進行共同決策，每位參與者投票的影響力取決于其對組織的貢獻度。

分布式自治組織研究也存在一系列難點，如在部分特定場景中，基于自治的治理模式是低效甚至失效的。盡管如此，分布式自治組織的概念仍是對現有互聯網經濟模式的一種變革。目前互聯網經濟遵循梅特卡夫定律(Metacalfe’s Law)，見圖3。

圖3 梅特卡夫定律

網絡的價值V與該網絡內節點數N的平方成正比，即V=K×N2，其中K為比例系數。由于一般網絡的部署成本和節點數量呈線性關系，當網絡規模達到一定程度時，可形成利潤與成本的剪刀差，使網絡價值收益大于部署成本以使所有者獲利。現有的互聯網經濟大多依據這一模式營利，常通過補貼等營銷模式吸引用戶流量，以便在短期內快速達到網絡價值臨界交叉點，形成流量經濟。但在基于區塊鏈技術構建的Web 3.0應用與服務中，公開透明、自主管理，因此遵循誰創造的價值越多，誰的發言權越大的新經濟模式。平臺難以形成壟斷優勢，貢獻越多者將擁有越多利益分配權。

4 區塊鏈技術在智慧醫療領域的建設成果

4.1 基于區塊鏈技術的智慧醫療應用建設

醫療信息化和數字化的發展與計算機系統的發展歷程有相似之處。目前，醫療的數字化發展相當于計算機系統發展的早期階段，即每個應用直接和底層“硬件”交互的階段。每個獨立的業務系統需要與不同業務對象、信息化系統進行一對一對接，這種實現的繁瑣性和擴展難度導致數字化應用開發及維護困難以及服務不穩定、高成本。計算機產業發展過程中使用操作系統對底層不同規格的硬件設備實現統一管理與調度，并面向上層應用開放標準化通用接口。類比于計算機行業，目前亟須基于區塊鏈技術構建面向智慧醫療應用的多要素數據流通協作服務平臺，向下整合各家獨立的醫院、診所、藥房、醫療器械等醫療資源與數據資源，向上屏蔽底層大部分異構性，為智慧醫療應用提供標準化接口，解決智慧醫療中面臨的數據服務化與協作高效化等問題，從而支持智慧醫療應用更加便捷地對接醫療資源，進一步完善智慧醫療產業鏈，推動產業發展，見圖4。

圖4 基于區塊鏈的智慧醫療平臺服務目標

4.2 基于區塊鏈可信交互的智慧醫療平臺建設

基于區塊鏈可信交互的智慧醫療平臺由清華大學區塊鏈交叉創新團體聯合中國醫學科學院醫學信息研究所共同開展研究，致力于構建鏈上鏈下可信交互技術體系，并在醫療場景中促進醫療數據流通與共享。通過將鏈下與數據和業務相關的行為進行抽象，將必須應用區塊鏈技術形成可信存證和共識的內容映射至鏈上，依托區塊鏈的可信性為鏈下業務賦予“信任”能力，見圖5。該技術體系的構建思想主要包括以下4點。

圖5 鏈上鏈下數據可信交互關鍵技術

4.2.1 小核心大邊緣 借鑒互聯網設計中的小核心大邊緣思想，構建“瘦”鏈上“胖”鏈下的體系結構。由于區塊鏈形成共識與信任的成本較高而性能偏低，通過對醫療領域不同業務場景上鏈特點展開研究，形成對業務中鏈上鏈下交互數據與行為的抽象描述，提煉共性關鍵技術，建立鏈上鏈下映射模型、多樣化數據可信上鏈技術體系和靈活可擴展的數字化合約體系，僅將必要的事情放在“鏈”上。

4.2.2 安全與性能聯合驅動 基于國密標準構建安全與性能聯合驅動的可信體系。由于區塊鏈的安全性與隱私性很大程度上來源于密碼學技術的保護，依據我國SM2、3、4、9國密標準，實現高效的密碼算法并全面改造主流區塊鏈結構中使用的密碼技術，實現安全和性能的聯合優化，構建鏈上鏈下協同的隱私保護方法與自主可控的可信體系，進而滿足區塊鏈鏈上鏈下可信交互需求。

4.2.3 基于雙網結構的追溯審計 為兼顧區塊鏈開放共享與關鍵通信行為可追溯、可審計的要求，將可信交互過程中通信功能與過程監管用兩個隔離網絡分別實現，構成“雙網”結構，通過公網實現交互功能，通過專用監管網絡傳輸通信過程的相關日志等高階語義數據至監管平臺，以實現兼顧隱私安全和性能需求的在線監管。

4.2.4 遵從區塊鏈技術成長性構造適應性演化的成長規律 以多樣化真實場景技術需求為牽引，攻關共性關鍵技術、體系結構與理論模型，通過深入的應用驗證與示范應用來推動技術的適應性演化，通過迭代交互的研究方式和不斷獲取實際應用驗證經驗的協同創新，結合開源創新等眾智模式，構建具有技術先進性與行業引領性的鏈上鏈下可信交互技術體系。

4.3 基于區塊鏈技術的全域智慧醫療產業示范

湖南省科技創新重點工程“基于區塊鏈技術的全域智慧醫療關鍵技術研究及產業示范”是基于區塊鏈的智慧醫療建設實踐典型應用成果之一。該工程結合中南大學湘雅醫院醫療體系的優勢力量，在湖南省衛生健康委員會和科學技術廳的支持下，以兩個地級市為試點城市，建立基于區塊鏈的區域醫療信息基礎。該信息基礎設施于2019年12月27日正式開通，形成以中南大學湘雅二醫院為龍頭，鏈接不同地級市與基層醫療機構的“云+網+鏈+端”網絡，見圖6，實現了數據服務化和協作高效化的公共基礎服務平臺。基于該基礎服務平臺，多家應用廠家紛紛加入構建豐富的應用，推動基于區塊鏈技術的全域智慧醫療服務體系建設和產業示范。

圖6 湖南省重點工程“云+網+端+鏈”架構

項目的技術體系包括云、網、端、鏈4個方面。“云”包括私有云和公有云兩部分，私有云被部署在數據或服務提供側，如醫院信息科。私有云利用AI、數據挖掘等技術將醫院生產系統中的碎片化數據進行治理，將分散的健康數據重組構成個人健康檔案并在區塊鏈上注冊登記。“網”是指醫院之間彼此連接的一張軟件定義網絡，利用信息安全技術實現數據加密流通不留存，連入公有云，為數據安全應用提供網絡資源。“端”是指患者和醫生等用戶使用的服務終端，利用底層安全硬件環境支撐各類服務終端應用開發。“鏈”即區塊鏈技術，提供個人健康檔案等數據要素的注冊、授權接口，并基于智能合約約定業務雙方工作流程，支撐協作高效化。當業務需求雙方要交換數據或協作業務時，雙方利用區塊鏈上的智能合約建立電子協議，達成共識后，軟件定義的網絡會點亮協作雙方之間的物理通道，并通過加密的手段將數據從擁有方傳送給需求方，并在協議結束后釋放建立的連接。整個數據流通過程中保證面向公眾開放的公有云內數據不管、不看、不存，而部署在院內信息科等位置的私有云對管轄數據“可管、可控、可見”，防止對數據失控和壟斷。數據流通過程中的所有行為都會被區塊鏈記錄在賬本上，以便隨時進行每個行為的審計、追溯和核查。基于上述技術體系可以構建起數據服務化和協作高效化的服務平臺，以支撐豐富的業務應用建立，從而營造多機構協作的全域智慧醫療應用生態。

4.4 基于區塊鏈的健康大數據平臺

中關村醫藥健康大數據平臺由北京市大數據中心聯合清華大學北京信息科學與技術國家研究中心、中國技術交易所以及中關村生命科學園等共同推進，利用區塊鏈技術和配套網關提供信用體系和可編程能力，構建醫療健康數據流通的交易平臺。項目設計的核心思想包括以下3點：首先，平臺技術架構遵循開放體系的設計思想，使數據、服務等能按需聚合以應對多樣性需求；其次，利用區塊鏈技術打造基于智能合約的可編程高效協作平臺，將數據交易過程中監管方、計算方與用戶方間的復雜協作問題轉化為代碼化可自動化執行的智能合約；最后，在滿足可信安全要求的前提下，基于云服務實現安全與加密技術，降低用戶使用數據交易工具的復雜度，提升用戶體驗。

實現數據交易時，平臺會通過軟件定義的智能網關依據交易請求接入交易專網，并將交易上傳至鏈上，調用鏈上智能合約完成數據交易的鑒權、確權與共識等操作。在交易共識達成后，智能網關將進一步依據交易需求傳送數據資源進入云服務平臺。上述工作流程保證數據安全交互，并隱藏了技術的復雜性，保證用戶在前端界面對服務的便捷調用，實現平臺設計中核心思想。

5 結語

醫療服務的數字化與智慧化已經成為政府、醫療機構、醫療從業人員、患者和企業等全球醫療價值相關方的共識，并在不斷發展和應用。本文闡述區塊鏈技術對智慧醫療領域建設的價值、作用與應用實踐，通過將智慧醫療與區塊鏈技術深度融合，將出現更多創新數字化技術和應用，促進數據安全共享和互操作，加強臨床試驗和藥物溯源的可信度，改善醫療服務效率和透明度，推動醫療資源精準下沉至患者，更好地造福社會，也將為人類的健康事業帶來更多機遇。