區(qū)塊鏈技術(shù)與醫(yī)院科研管理平臺耦合性分析

魏良 王曉云 賀璦 魏娜 張雪燕 曹也丁 陳敬洲

人類同疾病較量最有力的武器就是科學技術(shù)，推動醫(yī)學科技創(chuàng)新發(fā)展是改善民生福祉的重要環(huán)節(jié)，也是人類文明賴以延續(xù)的重要基礎。近年來新興科學技術(shù)的普及和應用，如5G、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等極大地推動了醫(yī)學科技的進步，但醫(yī)學科研管理工具則較長時間地止步于信息化初級階段，與現(xiàn)有科技生產(chǎn)力不相匹配。作為科研管理工具的依托載體，科研管理平臺的建設是否可以充分利用新興技術(shù)完成升級，對促進醫(yī)學科技的創(chuàng)新發(fā)展有著重要意義。

區(qū)塊鏈技術(shù)作為近年來的新興技術(shù)，憑借其獨有的信任建立機制，正在改變諸多行業(yè)的應用場景和運行規(guī)則，是未來構(gòu)建新型信息體系不可或缺的技術(shù)之一。習近平總書記曾強調(diào)區(qū)塊鏈技術(shù)的集成應用在新的技術(shù)革新和產(chǎn)業(yè)變革中起著重要作用，要把區(qū)塊鏈作為核心技術(shù)自主創(chuàng)新的重要突破口，加大投入力度，加快推動區(qū)塊鏈技術(shù)和產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新發(fā)展。從區(qū)塊鏈技術(shù)中索求當前科研管理痛點的解決方案，既是積極響應國家的號召，也是順應生產(chǎn)力發(fā)展的時代要求。

一、醫(yī)院科研管理平臺

（一）現(xiàn)有狀況

我國醫(yī)院信息系統(tǒng)的開發(fā)和實施源于20世紀80年代初，經(jīng)歷了近30年的建設，醫(yī)院信息化已經(jīng)逐步由最初的單機操作、局部網(wǎng)絡化逐漸發(fā)展至全員醫(yī)療信息網(wǎng)絡化的階段。傳統(tǒng)意義上的醫(yī)院科研管理信息化往往存在項目實驗結(jié)果數(shù)據(jù)零散、數(shù)據(jù)質(zhì)量不高和信息化數(shù)據(jù)利用率低等問題，醫(yī)院科研交流的載體主要是管理文件和科研文檔，管理手段以統(tǒng)計為主，大部分工作局限于以Word或Excel文檔進行科研數(shù)據(jù)信息的管理，導致科研管理工作創(chuàng)新不足、成果水平低、低水平重復研究。

在對科研管理平臺的現(xiàn)代化實踐上，國內(nèi)諸多醫(yī)院做出了許多杰出、有益的探索。以中國醫(yī)學科學院阜外醫(yī)院為例，其在2011年上線了科研信息共享平臺，包含科研信息公告、縱向課題庫、橫向課題庫、匹配經(jīng)費庫、發(fā)表論文庫、獲獎成果庫、專利庫等21組模塊，實現(xiàn)了科研信息發(fā)布及各類數(shù)據(jù)庫功能，為科研管理工作提供了便利。

（二）平臺的組成機制

在“硬件”構(gòu)成上，醫(yī)院科研管理平臺的主體是人，載體是信息化設備，核心是科研數(shù)據(jù)流。從使用主體來講，科研管理平臺的使用者一端是科研人員，另一端是科研管理人員，科研人員是平臺的數(shù)據(jù)生產(chǎn)者，平臺上的資料，無論是通過實驗獲得的數(shù)據(jù)或?qū)徟鞒贪l(fā)起等均通過科研人員的工作產(chǎn)生;另一方面，他們所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)傳輸至管理人員，由管理人員根據(jù)需求進行匯總統(tǒng)計上報等管理工作。從信息載體上講，傳統(tǒng)的計算機、服務器與因特網(wǎng)已經(jīng)構(gòu)成一個基本的數(shù)據(jù)交互的網(wǎng)絡環(huán)境，隨著需求的變化和技術(shù)的進步，媒介有所更新，例如網(wǎng)絡傳輸由4G升級至5G，終端由計算機擴展至智能手機等移動設備，但本質(zhì)仍未脫離該框架。圖1給出了科研管理平臺的基本框架。

在“軟件”組成上，醫(yī)院科研管理平臺主要包含以下兩類：一是以經(jīng)費管理、課題管理為代表的流程審批賬簿;二是存儲論文、實驗數(shù)據(jù)等的數(shù)據(jù)庫功能。

（三）現(xiàn)階段平臺建設面臨的挑戰(zhàn)

現(xiàn)階段科研管理平臺建設最大局限性是醫(yī)院內(nèi)部信息化平臺的碎片化。國內(nèi)多數(shù)科研管理平臺是單獨的系統(tǒng)，與醫(yī)院管理信息（HIS）、財務管理、線上辦公等系統(tǒng)缺乏聯(lián)動，造成信息流中斷，需要手工將其他平臺數(shù)據(jù)錄入到科研管理平臺，易出錯或遺漏，給科研管理工作帶來不便。此外，在科研管理平臺內(nèi)部亦有功能性模塊碎片化的問題，如數(shù)據(jù)庫與審核流程未統(tǒng)一，不能形成全鏈條管理，不能滿足現(xiàn)代化的科研管理需求。

其次是系統(tǒng)架構(gòu)落后。傳統(tǒng)的框架往往以單位內(nèi)部的服務器為中心，管理權(quán)限集中于某些管理員，此類中心化架構(gòu)不能排除服務器被攻擊或者管理員惡意損壞或操作失誤使平臺數(shù)據(jù)遭受篡改，嚴重的會使科研成果遭受巨大破壞，浪費科研經(jīng)費和科研人員的心血。尤其是在“百年未有之大變局”的時代背景下，大國之間的博弈愈加激烈，醫(yī)學科研數(shù)據(jù)的安全性更要站在總體國家安全觀中去衡量。

二、區(qū)塊鏈

（一）區(qū)塊鏈的定義及類型

區(qū)塊鏈作為一種按照時間順序?qū)?shù)據(jù)區(qū)塊以鏈條的方式組合而成的特定數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，以此驗證和存儲數(shù)據(jù)，并以密碼學方式保證的不可篡改和不可偽造的去中心化共享總賬。換言之，區(qū)塊鏈是記錄信息和數(shù)據(jù)的分布式數(shù)字賬本，該賬本存儲于對等網(wǎng)絡的多個參與者之間，參與者可以使用加密簽名將新的交易添加到現(xiàn)有交易鏈中，形成安全、連續(xù)、不變的鏈式數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

區(qū)塊鏈技術(shù)根據(jù)實際應用場景和需求具有公共鏈（public blockchain）、聯(lián)盟鏈（consortium blockchain）和私有鏈（private blockchain）三種類型。公共鏈是完全去中心化的區(qū)塊鏈，無官方組織及管理機構(gòu)，無中心服務器，參與的節(jié)點按照系統(tǒng)規(guī)則自由接入網(wǎng)絡、不受控制，節(jié)點間基于共識機制開展工作。聯(lián)盟鏈是部分去中心化的區(qū)塊鏈，由若干機構(gòu)聯(lián)合發(fā)起，接入公有鏈和私有鏈之間，取舍兩者權(quán)利和義務的分配，并對分布式賬本的訪問做一定的控制，適用于多個實體構(gòu)成的組織或聯(lián)盟。私有鏈則是完全中心化的區(qū)塊鏈，其寫入權(quán)限由中心機構(gòu)控制，讀取權(quán)限可視需求有選擇性地對外開放，適用于特定機構(gòu)的內(nèi)部數(shù)據(jù)管理與審計等。

（二）區(qū)塊鏈的技術(shù)架構(gòu)

2018年中國通信院發(fā)布的《區(qū)塊鏈白皮書（2018）》給出了一種通用型的區(qū)塊鏈系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)，將區(qū)塊鏈系統(tǒng)劃分為基礎設施、基礎組件、賬本、共識、智能合約、接口、應用、操作運維和系統(tǒng)管理九部分，各層級的主要功能如表1所示，其技術(shù)架構(gòu)邏輯關系如圖2。

（三） 區(qū)塊鏈的主要特征

基于區(qū)塊鏈先進的設計理念與技術(shù)架構(gòu)，其主要特征有：一是分布式。區(qū)塊鏈系統(tǒng)內(nèi)沒有中心化的硬件設備和管理機構(gòu)，各節(jié)點之間的權(quán)利和義務近乎均等，每個節(jié)點都能獲得完整的數(shù)據(jù)拷貝，系統(tǒng)由多個節(jié)點共同維護;二是多節(jié)點共識。基于區(qū)塊鏈系統(tǒng)分布式的特點，各個節(jié)點之間無需相互信任，通過共識機制對入鏈數(shù)據(jù)進行驗證，數(shù)據(jù)內(nèi)容和系統(tǒng)運作規(guī)則公開透明，節(jié)點之間通過技術(shù)手段自動實現(xiàn)信息關系;三是公開透明。通過共識機制，賬本和商業(yè)規(guī)則可以被所有人審閱，并可利用時間戳機制對用戶行為進行追溯，保證了系統(tǒng)的公開透明;四是不可篡改。區(qū)塊鏈上的區(qū)塊只能新增、不能被替換，交易可以通過新增區(qū)塊的方式予以修改，但是區(qū)塊記錄將永久保留。

三、區(qū)塊鏈與醫(yī)院科研管理耦合性分析

耦合性是指兩個（或兩個以上）系統(tǒng)或運動形式通過各種相互作用而彼此影響的現(xiàn)象，常用來說明兩類現(xiàn)象之間的關聯(lián)程度：關聯(lián)程度越小，獨立性越強，耦合性越低;反之，關聯(lián)程度越大，獨立性越弱，耦合性就越高。能否通過引入?yún)^(qū)塊鏈技術(shù)應對醫(yī)學科研管理工作所面臨的挑戰(zhàn)，或者說引入?yún)^(qū)塊鏈技術(shù)能夠多大程度上緩解醫(yī)學科研管理平臺與科研管理需求之間的矛盾，是分析區(qū)塊鏈與醫(yī)學科研管理耦合性的意義所在。

（一） 區(qū)塊鏈技術(shù)與醫(yī)療機構(gòu)之間的耦合性

1. 分布式結(jié)構(gòu)與區(qū)域醫(yī)療中心

區(qū)域醫(yī)療中心是以國家醫(yī)學中心為依托，充分發(fā)揮國家臨床醫(yī)學研究中心作用，在京、滬等醫(yī)療資源富集地區(qū)遴選若干優(yōu)質(zhì)醫(yī)療機構(gòu)，通過建設分中心、分支機構(gòu)，促進醫(yī)師多點執(zhí)業(yè)等多種方式，在患者流出多、醫(yī)療資源相對薄弱地區(qū)建設區(qū)域醫(yī)療中心，充分運用“互聯(lián)網(wǎng)+醫(yī)療健康”、人工智能、大數(shù)據(jù)等先進技術(shù)，更好滿足群眾醫(yī)療服務需求。此外，還有各地的區(qū)域醫(yī)療聯(lián)合體等機構(gòu)本質(zhì)上也產(chǎn)生并存儲醫(yī)學科學研究所需要的數(shù)據(jù)。區(qū)塊鏈的分布式結(jié)構(gòu)本質(zhì)上就是一種可以在多個網(wǎng)絡節(jié)點、多個物理地址或者多個組織構(gòu)成的網(wǎng)絡中進行數(shù)據(jù)分享、同步或復制的去中心化數(shù)據(jù)存儲技術(shù)，因此，各區(qū)域醫(yī)療中心/醫(yī)聯(lián)體本身即可看作為區(qū)塊鏈上的節(jié)點，自然地為由各地醫(yī)療機構(gòu)組成的聯(lián)盟鏈提供了基礎設施。

2.醫(yī)療機構(gòu)多節(jié)點共識機制

共識機制作為區(qū)塊鏈技術(shù)的基礎和核心，從根本上決定了整個區(qū)塊鏈系統(tǒng)的安全性、可用性和系統(tǒng)性能等。目前，主流的共識機制主要有工作量證明（Proof ofwork， PoW）、權(quán)益證明（Proof of stake， PoS）和委托權(quán)益證明（Delegated proof of stake， DPoS）。其中PoW共識的核心思想是通過引入分布式節(jié)點的算力競爭來保證數(shù)據(jù)一致性和共識的安全性;PoS共識是采用權(quán)益證明來代替PoW中的基于哈希算力的工作量證明，是由系統(tǒng)中具有最高權(quán)益而非最高算力的節(jié)點獲得區(qū)塊記賬權(quán);DPoS共識機制的思路類似于“董事會決策”，即系統(tǒng)中每個股東節(jié)點可以將其持有的股份權(quán)益作為選票授予一個代表，獲得票數(shù)最多且愿意成為代表的前101個節(jié)點將進入“董事會”，按照既定的時間表輪流對交易進行打包結(jié)算并且簽署（即生產(chǎn)）一個新區(qū)塊。

薛騰飛等人（2017）結(jié)合我國目前執(zhí)行的《醫(yī)療標準機構(gòu)基本標準》和《醫(yī)院分級管理辦法》改良了DPoS的初始化方法，以現(xiàn)階段的醫(yī)療機構(gòu)評級和信息中心配置規(guī)模作為排序依據(jù)，設計了一個基于區(qū)塊鏈的醫(yī)療數(shù)據(jù)分享模型（MDSM），其共識機制以排在前101位的信息中心被指定為醫(yī)療機構(gòu)聯(lián)盟服務器群，排在第101為之后的20位被指定為審計聯(lián)盟服務器群，輪流校驗每個被簽署的區(qū)塊是否真實有效，并引入了信用積分作為評分依據(jù)，為該鏈上“董事會”的更替、新增及退出提供了完整機制，保障了所有鏈上區(qū)塊功能的完整性與一致性。由此可見，區(qū)塊鏈建設所必須的共識機制也同樣具備條件。

（二）醫(yī)學科研管理需求與區(qū)塊鏈功能之間的耦合性

1.醫(yī)學科研數(shù)據(jù)可追溯性與鏈式結(jié)構(gòu)

科研數(shù)據(jù)的可靠性和準確性直接影響到科研成果的產(chǎn)生，保障科研數(shù)據(jù)準確無誤是科研管理平臺的基本要求，也是科學研究的“生命線”。醫(yī)學科研數(shù)據(jù)不僅來自于臨床研究，也來自于基礎實驗等，不僅參與者眾、數(shù)據(jù)獲取周期長，且數(shù)據(jù)量大，復雜維度高，保障科研數(shù)據(jù)的一致與可靠并非一件易事。

區(qū)塊鏈是一個鏈表的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，每個區(qū)塊相互連接，存儲了一系列的有序事物，是一個特殊的數(shù)據(jù)庫。與普通數(shù)據(jù)庫最主要的區(qū)別是采用了帶有時間戳的鏈式區(qū)塊結(jié)構(gòu)存儲數(shù)據(jù)給數(shù)據(jù)增加了時間維度，具有極強的可驗證性和可追溯性，既保證了科研數(shù)據(jù)的準確性，也為科研數(shù)據(jù)提供了追溯的途徑。

2.醫(yī)學科研經(jīng)費使用與區(qū)塊鏈賬簿屬性

科研經(jīng)費使用是否合法與合規(guī)、科研經(jīng)費管理監(jiān)督是否科學和規(guī)范，直接影響著科研質(zhì)量、科研水平和科研人員的積極性。目前科研經(jīng)費使用中廣泛存在的問題除了浪費和低效外，主要是科研人員違法或違規(guī)使用科研經(jīng)費。區(qū)塊鏈本身的公開透明且無法篡改的屬性使得區(qū)塊鏈自身即可作為去中心化賬簿。例如，將實驗設備、科研試劑、耗材等供應商納入以醫(yī)療機構(gòu)中的科研管理、采購、財務、課題組、審計、紀檢等有關部門組成的聯(lián)盟鏈中，每筆經(jīng)費支出均被記錄在區(qū)塊鏈上，公開透明且無法篡改，保障了科研經(jīng)費使用的合規(guī)性與效率。曲廣強等人曾對基于區(qū)塊鏈的實驗教學經(jīng)費可信任回溯機制進行研究，探索了區(qū)塊鏈技術(shù)減少實驗經(jīng)費腐敗的可能性，結(jié)果表明區(qū)塊鏈技術(shù)可以消除傳統(tǒng)的購買、開發(fā)票報銷流程，使得經(jīng)費管理更加科學有效。最重要的，區(qū)塊鏈中的共識機制為跨部門協(xié)作溝通提供了共識基礎，在對接財務等較為敏感的信息時，既保障了數(shù)據(jù)的安全可靠，同時也節(jié)省了審批時間，為科研人員提供全流程一體化的管理方案，讓科研人員心無旁騖去搞研究。圖3為借助于區(qū)塊鏈技術(shù)搭建的現(xiàn)代化科研管理平臺框架，相較傳統(tǒng)架構(gòu)，新的平臺通過區(qū)塊鏈技術(shù)對數(shù)據(jù)流進行的改造，使其更加安全高效。

四、主要研究結(jié)論

本文剖析了現(xiàn)階段醫(yī)院科研管理平臺的組成機制與面臨的挑戰(zhàn)，并向以區(qū)塊鏈技術(shù)為代表的新興科技索求解決之道。通過分析區(qū)塊鏈的技術(shù)架構(gòu)與主要特征和科研管理平臺之間在運行機制和功能需求上的耦合性，為醫(yī)院科研管理平臺引入?yún)^(qū)塊鏈提供理論基礎。區(qū)塊鏈技術(shù)的引進不僅能夠切實保障科研數(shù)據(jù)的安全性，并且有助于在不同機構(gòu)間建立共識機制，有效降低溝通成本。更巧妙地將不同機構(gòu)科研管理平臺的重復性建設轉(zhuǎn)化為區(qū)塊鏈節(jié)點，節(jié)省建設費用的同時，既維持了科研管理平臺開發(fā)的高水平與一致性，又整合了全國的醫(yī)學研究數(shù)據(jù)資源，更好地發(fā)揮我國社會主義集中力量辦大事的優(yōu)勢，是提升醫(yī)學科研管理工作水平的有力工具。