欧洲放射学会：区块链技术如何赋能医学成像？

原报告来自欧洲放射学会（European Society of Radiology )。中文版本由链集市团队编译整理。

作者丨European Society of Radiology

编者注：欧洲放射学会（European Society of Radiology)是一个非营利性非治政性国际组织，致力于促进和协调所有欧洲国家放射学的科学、慈善、知识和专业活动。其使命是通过支持科学研究、教育和培训，不断提高放射学实践质量，来满足公众的医疗保健服务需求。欧洲放射学会现在全球182个国家拥有121608名成员，是世界上最大的放射学会。

“区块链技术和分布式账本技术(DLT)很可能成为未来几十年的突破性技术。它们是一种跨领域技术，可以赋予公民、公共服务和企业以安全、透明、可核查、去中心化和共享数据访问权的能力。”

摘要

区块链可以被认为是一个分布式数据库，允许用户跟踪数据的来源并且追溯过去修改纪录的给定数据集。区块链技术的医学应用正在兴起，区块链技术在医学成像中有许多潜在的应用，通常被用于放射和临床数据的跟踪。

区块链技术的临床应用包括记录不同“作者”提供的文件，包括人工智能算法对多部分报告的贡献，记录人工智能算法用于诊断的情况，提高电子病历相关信息可及性的可能性，以及用户可以更好的控制个人健康报告的获取。

区块链技术在研究中的应用包括在临床试验中更好地跟踪图像数据，更好的描绘人工智能算法训练中生成的图像和注释数据，从而提高了隐私性和公平性，并有可能使人工智能的成像数据具有更好的可用性。

区块链技术还允许动态许可，并有可能赋予患者权力，让他们更好地控制谁访问了他们的健康数据。此外，区块链技术在行政管理方面也有许多潜在的应用，例如跟踪学习成果或监控医疗设备。

本文简要介绍了区块链技术的基本技术和术语，重点介绍了区块链技术在医学成像中的潜在应用。

关键点

区块链技术是一种分布式账本技术，允许跟踪数据，记录所有数据的来源和变化，包括成像数据。

区块链技术使用加密技术来实现数据的完整性和真实性、数据的透明性、不变性和可验证性。医学对于区块链技术的应用正在广泛的推广，在医学成像方面有许多潜在的应用。

导言

区块链作为一项突破性技术，由于在加密货币市场的广泛应用，已经为公众所熟悉。它不仅在工业领域上有许多应用，而且在医疗保健和医学成像方面也有许多应用， 在使用分布式加密数据库安全存储医疗数据的情况下，可以安全地存储与创建、更新或访问医疗数据有关的信息。

爱沙尼亚在十年内已经建立了一个完整的以区块链技术为基础的医疗保健生态系统。区块链允许用户(病人、医生、放射学家和科学家)控制如何和由谁使用这些医疗数据。本文旨在探讨区块链技术在医学成像中的潜在应用。阐述这些应用的挑战性，并提出一些用例，包括图像的所有权和跟踪、图像注释、以及人工智能方面的潜在应用。

为限制本文的篇幅，我们仅仅简要介绍了区块链技术的基本知识。

区块链技术可以被看作是一个分布式数据库，跟踪对数据库所做的所有更改。与传统数据库不同，区块链使用加密技术实现数据的完整性和真实性、数据的透明性、不可变性和可验证性，通过去中心化信任网络使信息可靠，而无需使用中心的、可信的主副本。它允许用户跟踪数据的来源，以及追溯谁在过去操纵过给定的数据集，区块链可能适用于放射性数据的跟踪。

区块链技术于1991年首次被提出，用于通过哈希函数验证数字文档的真实性。“块”和“链”这两个词最早是由一个人或一群化名为“Satoshi Nakamoto”（身份不明）的人在一份文件中使用的。虽然当时那份文件使用了“块”和“链”作为术语，但它并没有对区块链这个词进行定义。这个词后来出现在一个更非正式的场合。它为2007年金融危机后的加密货币“比特币”的出现奠定了基础，提出了一个公共的点对点电子货币体系的基础。

2013年，Vitalik Buterin发布了以太坊平台，该平台于2015年正式启用。以太坊扩展了区块链上事务的概念，分布式账本中任意状态的更改都可以进行表示。这允许开发者以编程方式在区块链上建立通用概念模型。与比特币不同的是，以太坊是一种区块链技术，它允许在区块链中嵌入代码并在网络中执行代码，即智能合约的功能。

如今，大多数区块链项目并没有创建新的区块链网络，而是依赖于具有执行智能合约功能的以太坊。

区块链技术基础

1、区块链和分布式账本技术的定义

区块链依靠多个节点而不是一个中央控制节点在分布式网络中存储数据，这个网络被称为分布式账本。数据是以一种不可更改、不可篡改(即写一次)的方式存储的，这使得对数据的非法修改变得非常困难。数据只能添加到区块链中，区块一旦被写入就不能被移除或修改。因此，存储的数据是一个不断增长的记录列表（块），一个接一个（链）。“区块链是一种分布式数据库，永久的存储交易数据并建立防篡改账本。”

分布式账本数据库以多个节点设备分布在对等网络上，其中每个节点复制并保存一个相同的分类账副本，并独立更新自身，其主要的优势在于没有中央机构或中央服务器。

当一个分类账节点更新时，每个节点构建新的事务，然后节点通过协商一致的算法投票，验证副本的正确性。一旦达成共识，所有其他节点都会使用新的、正确的分类账副本进行自我更新。安全性是通过加密密钥和签名来实现的，数据的质量是通过数据库复制和计算信任来维持的。

区块链技术是分布式账本技术的一种形式，并非所有分布式账本都使用区块链来提供安全有效的分布式共识。然而，区块链的结构使其不同于其他类型的分布式账本，区块链中的数据被分组在一起并组织成区块，区块之间相互链接并使用加密技术进行保护。因此区块链技术非常适合记录事件、管理记录、处理交易、跟踪资产和投票

2、区块链技术与传统数据库技术的比较

与传统的数据库技术不同，区块链技术是去中心化的、可跟踪的且不可变的。

去中心化是指基于分布式体系结构的数据在区块链上的验证、存储、维护和传输过程。在这种结构中，分布式节点之间的信任是通过数学方法建立的，而不是传统数据库技术中单一节点的集中式组织。

可追溯性意味着区块链上的所有事务都按时间顺序排列，一个块通过加密哈希函数连接两个相邻的区块。本质上，每个事务都可以通过检查哈希键链接的块信息进行跟踪。

不可篡改意味着任何事务的篡改都会产生不同的哈希值(哈希键链接前一个块并指向下一个块)，会被所有运行相同共识算法的其他节点检测到。由于区块链是一个可共享的公开分布式账本，存储在数千个节点上，并且进行连续的实时同步，如果攻击成功则需要达到全网算力的51%以上。

3、公有链与私有链

区块链分为公有链和私有链。公有链向所有人开放，每个人都可以不经邀请的访问它。私有链的访问有限制，只有通过邀请并获得批准的参与者，如医疗专业人员，才可以进入到该区块链当中。

这种差异可以与开放访问的互联网和只有经过批准才能访问的互联网之间的差异进行比较。公共区块链由于其复杂性和广泛分布性，为达成共识提供了较低的吞吐量。私有区块链实现了更高的效率。就其性质而言，比特币等加密货币希望吸引最大数量的参与者并成为公有链网络，而许多企业应用程序则使用私有链来控制对存储在区块链上的数据的访问。

区块链在医学成像中的应用

1、临床应用

（1）包括人工智能系统在内的不同“作者”对多部分报告的贡献

复杂的放射学研究报告往往包含了多个专家的投入，特别是在不寻常的情况下，往往涉及多个身体系统、专业(如放射科医师/心脏病医师联合报告的心脏成像)或模式(如核医学医师/放射医师联合报告PET/MR )。

虽然一份单一的报告通常是从现有的投入中综合出来的，但区块链技术提供了确定谁的意见或专门知识对报告的每一要素负责的可能性，从而便利的确定在需要进一步信息的情况下与适当的撰稿人进行更直接的协商的可能。报告可以在不同的区块中构造，而不需要加密的区块链。区块链可以明确每个作者在医学成像研究评估中的确切责任级别，不同专家的意见将保持单独签署，并保留对每项分析的顺序。

（2）记录人工智能算法在诊断中的应用

如同撰写一份报告的多个人类专家一样，放射学报告可能包含放射学家和人工智能生成的内容的组合，例如由人工智能算法预填充的结构化报表。在不久的将来，这可能是一种越来越普遍的混合报告形式。同样，区块链技术有助于区分不同的报告要素，并将纳入信息的责任直接分配给医生或依赖人工智能协助的医生，同时确定是哪一种人工智能算法起到了作用。

（3）分享临床数据、可追溯性报告及阅读报告

基于区块链技术的电子病历(EMR)已经引发了多年的争论，这些电子病历将自动在区块链中存储关于谁贡献了电子病历的哪一部分的信息。结合旨在向远程放射科医生显示相关数据的算法，这些电子病历将使放射科医生能够查看正在处理的病例的相关数据，而无需浏览电子病历的大部分内容。这反过来可能导致更有效和更好地解释放射学研究。

此外，如果放射科医生提供后续建议或描述如何管理附带的发现，这些项目也可以存储在区块链上并且进行验证。区块链还允许存储识别谁有效地读取了这些电子病历的哪些部分。这可以在未来用于对偶然发现的跟踪。所有这些潜在的用途合在一起将提高病人护理的质量。

（4）个人健康档案控制与影像数据共享控制

确保用户对数据共享的控制与许多应用程序相关，许多支持用户控制的数据共享平台被提出。更具体而言，区块链技术可用于将存储在电子病历中的数据的所有者置于对其医疗数据的控制之上。病人有权向他们选择的改善医疗保健的机构分享敏感记录。构建允许临床医生请求病人数据并使患者能够授予或撤销访问权限的系统。以类似的方式，区块链还可以使患者能够控制其图像数据的共享。

2、区块链技术在研究中的应用

（1）生物标志物衍生的临床试验框架

临床试验是告知临床实践变化的关键。严格的评判和绝对透明的审计追踪是成功和可靠评判的必要条件。由于成像常常是识别疾病进程或倒退的基石，区块链技术有可能在临床试验中引入一种防止篡改的机制来记录成像数据。这包括图像处理、分析和定量评估的所有阶段。试验中的成像数据通常来自预先指定的成像协议，这些协议的变化或其不准确的记录可能会改变图像，从而改变其测量输出的结果。

区块链的实施消除了在测量之前操纵图像的情况，确保了图像及其测量的完整性。当图像在参与站点之间上载或下载以执行多个度量时，这种审核具有特殊的价值。在进行测量之前对图像设置的任何更改都可能会影响结果，而由区块链系统加盖日期和时间戳，确认何时以及由谁进行更改，将避免不适当的数据操作，并确保重大更改的可跟踪性。任何数据损坏都将在不需要人工查询数据的情况下被识别。在一个结果往往依赖于成像测量有效性的时代，记录测量历史的可靠方法是至关重要的。

在一些特定的领域，我们可以在一个成像试验中利用区块链技术进行包括病灶分割和分析算法的实现。病灶分割传统上是手动的，随着技术的发展，越来越多的案例是半自动的甚至完全自动化的。通常使用专家注释的人工分割数据集来训练算法，以自动获得类似的结果。对训练集的记录，以及在专家和软件的背景下对其进行的调整，将有助于深入了解机器学习输出的依据，并解释意外的变化。每个区块的数据组可以通过患者访视或试验中特定时间点的检查组来分配。

当商业或学术研究者分析并报告他们自己的发现时，存在大量存有偏见的证据。应用于临床试验中成像的区块链技术将向第三方提供有种源保证的数据集以供分析。这将把推动试验的假设与预期的结果分开。一个特别的好处是利用成像生物数据库中的数据集进行二次研究，可以确保原始数据的完整性，特别是在汇集来自多项试验的数据时。

（2）为科学研究收集数据，特别是为人工智能算法的训练

区块链的一个有趣的应用是记录谁为人工智能算法的培训贡献了数据，包括患者和他们的数据、放射科医生的注释、以及开发人工智能算法的工业合作伙伴。而这将允许将经济奖励分配给不同的合作伙伴，这反过来又可能成为患者和放射科医生参与这个过程的动机。使用区块链技术还将使病人和放射科医生能够跟踪数据的使用情况，从而更好地控制他们的文件。实验基准图像数据集表明，采用分布式、联合深度学习和区块链技术相结合的方法，可以有效地解决协作式深度学习对准确性、保密性和公平性的要求。

区块链技术的这些特性也有助于为人工智能培训提供大量数据。为了训练有监督的深度学习网络，人们需要尽可能多提供高质量的数据和注释。如果用于训练的数据集不够大，将无法可靠地检测到罕见病例，从而产生选择偏差，影响人工智能系统的通用性。由于我们通常对深度学习模式的内部运作缺乏直接的洞察力，偏见可能是狭隘的甚至是危险的。基于区块链技术的人工智能算法不仅可以从多个机构的共享数据中学习，还可以通过回溯或简单的回放来跟踪或评估其学习情况，从而对人工智能决策提供更多的洞察力和更多的人类监督。这确实是区块链技术的一个关键价值，类似于产品从生产者到消费者的追踪。对模型训练条件的注释无疑提供了有关其质量的信息。

区块链技术的另一个好处是可以用于教学和教育资源的材料来源的归属判定。区块链技术可确保对教育材料知识产权的判定，潜在的增加主要作者分享材料的意愿，从而不损失对知识产权的信用。

（3）动态许可

动态许可是赋予研究伙伴权力和促进积极参与研究进程的一种新方法。在Dwarna项目中生物数据库的使用表明，使用区块链技术可以让个人获取信息并掌握控制权，以确定他们的生物样本和数据应该如何以及在何处使用，在使用区块链技术时，促进用户遵守欧盟《通用数据保护条例》（GDPR）规定的强制执行的擦除。

（4）赋予病人权力

目前在中央数据库中存储图像并经常使用物理介质传输图像的方法不仅会导致患者路径延迟，而且会使数据受到篡改。Patel开发了一个跨域图像共享框架，该框架使用区块链技术作为分布式数据存储，以建立放射研究和患者定义的访问权限的账本。这个框架允许安全和去中心化的医疗数据共享。它还使患者能够有效地拥有自己的图像数据，并控制医疗保健提供商的访问权限。

3、将区块链技术用于管理

（1）学习和跟踪学习

区块链技术可用来记录和跟踪学习成果，通过使用区块链上的智能合同来维护学习成果的哈希值和管理访问权限。Ocheja等人描述了一个学习日志区块链(Boll)，使学习者能够以安全和可验证的格式将学习记录从一个机构转移到另一个机构。Nasseem等人分析了医学教育生态系统中区块链部署的潜在用例，以提高现有基础设施的效率、安全性、功能性和有效性。他们建议使用区块链技术来消除学术认证中的欺诈性问题。

（2）医疗器械监督

随着医疗器械设备管理体系（PMS）的日益重要和复杂，产生的数据量也越来越大。研究表明，一个具有权威证明共识机制的私有链可以为参与PMS过程的不同利益相关者提供许多优势，例如为新的监管举措提供支持。对于日益重要和复杂的医疗设备管理体系(PMS)，越来越多的数据正在产生。研究表明，一个具有权威共识机制的私有数据授权区块链可以为参与经前管理进程的不同利益相关者提供许多优势，例如为新的监管举措提供支持。

（3）由于放射学中使用区块链技术而产生的新的商业模式

到今天为止，许多人工智能应用已经证明了它们在增强医学成像解释方面的潜力。有监督的深度学习人工智能算法发展的主要障碍之一就是缺乏大量高质量的注释图像。虽然人工智能公司的激励是通过销售算法来获得利益，但要实现患者贡献其医学图像的动机，以及放射科医生做图像注释的额外工作的动机，就不那么简单了。使用区块链技术来跟踪谁作出了贡献，可能有助于克服这些障碍，因为它会向那些作出贡献的人提供激励。

区块链技术也可用于注释的协商一致，只有当多个参与者对注释达成共识时，注释才被批准，对达成共识的给予奖励，对不达成共识的给予惩罚。区块链技术还可以帮助创建具有许多数据贡献者提供的不同来源的数据的大型开放数据库。区块链技术还有助于个人健康数据的访问保护和数据完整性的保护。

虽然大多数患者会同意分享他们的健康数据，但如果这些数据被用于一般利益，当制药或成像公司从他们的数据中获利时，取得患者的同意可能就不那么容易了。如果对病人提供他们的数据有一种经济激励，这将促进公平和激励他们的行为。同样的，对放射科医生和数据注释的激励也是如此，如果可以从数据注释中获利，那么与做这部分工作的人分享部分利润是公平的。区块链技术允许包括病人和放射科医生的用户保持匿名，并控制他们的数据或注释。他们可以决定免费捐献，也可以因数据使用而得到奖励。

通过为所有参与创建深入学习人工智能算法的各方(包括提供数据的患者、对数据进行注释的放射学家以及实施和培训这些算法的公司)创造双赢的环境，区块链技术可以帮助克服高质量标注的图像数据可用性的瓶颈。

总结

区块链技术是一种非常强大的技术，它以一种不可篡改的方式促进了对源数据的存储，提供了对存储数据的所有修改的可跟踪性。区块链技术提供了关于如何、谁、何时和何处生成数据的可靠信息，它在医学和放射学中有着广泛的应用。

区块链技术通过允许患者和放射科医生控制数据的使用权和数据注释圈，增强了患者和放射科医生对医学成像做出贡献的潜力。同时也非常适合存储病人的数据供临床使用，放射学界应参与和协作研究与病人护理方面相关的区块链技术的开发和实施。