区块链技术与医院科研管理平台耦合性分析

魏良 王晓云 贺瑷 魏娜 张雪燕 曹也丁 陈敬洲

人类同疾病较量最有力的武器就是科学技术，推动医学科技创新发展是改善民生福祉的重要环节，也是人类文明赖以延续的重要基础。近年来新兴科学技术的普及和应用，如5G、物联网、人工智能等极大地推动了医学科技的进步，但医学科研管理工具则较长时间地止步于信息化初级阶段，与现有科技生产力不相匹配。作为科研管理工具的依托载体，科研管理平台的建设是否可以充分利用新兴技术完成升级，对促进医学科技的创新发展有着重要意义。

区块链技术作为近年来的新兴技术，凭借其独有的信任建立机制，正在改变诸多行业的应用场景和运行规则，是未来构建新型信息体系不可或缺的技术之一。习近平总书记曾强调区块链技术的集成应用在新的技术革新和产业变革中起着重要作用，要把区块链作为核心技术自主创新的重要突破口，加大投入力度，加快推动区块链技术和产业创新发展。从区块链技术中索求当前科研管理痛点的解决方案，既是积极响应国家的号召，也是顺应生产力发展的时代要求。

一、医院科研管理平台

（一）现有状况

我国医院信息系统的开发和实施源于20世纪80年代初，经历了近30年的建设，医院信息化已经逐步由最初的单机操作、局部网络化逐渐发展至全员医疗信息网络化的阶段。传统意义上的医院科研管理信息化往往存在项目实验结果数据零散、数据质量不高和信息化数据利用率低等问题，医院科研交流的载体主要是管理文件和科研文档，管理手段以统计为主，大部分工作局限于以Word或Excel文档进行科研数据信息的管理，导致科研管理工作创新不足、成果水平低、低水平重复研究。

在对科研管理平台的现代化实践上，国内诸多医院做出了许多杰出、有益的探索。以中国医学科学院阜外医院为例，其在2011年上线了科研信息共享平台，包含科研信息公告、纵向课题库、横向课题库、匹配经费库、发表论文库、获奖成果库、专利库等21组模块，实现了科研信息发布及各类数据库功能，为科研管理工作提供了便利。

（二）平台的组成机制

在“硬件”构成上，医院科研管理平台的主体是人，载体是信息化设备，核心是科研数据流。从使用主体来讲，科研管理平台的使用者一端是科研人员，另一端是科研管理人员，科研人员是平台的数据生产者，平台上的资料，无论是通过实验获得的数据或审批流程发起等均通过科研人员的工作产生;另一方面，他们所产生的数据传输至管理人员，由管理人员根据需求进行汇总统计上报等管理工作。从信息载体上讲，传统的计算机、服务器与因特网已经构成一个基本的数据交互的网络环境，随着需求的变化和技术的进步，媒介有所更新，例如网络传输由4G升级至5G，终端由计算机扩展至智能手机等移动设备，但本质仍未脱离该框架。图1给出了科研管理平台的基本框架。

在“软件”组成上，医院科研管理平台主要包含以下两类：一是以经费管理、课题管理为代表的流程审批账簿;二是存储论文、实验数据等的数据库功能。

（三）现阶段平台建设面临的挑战

现阶段科研管理平台建设最大局限性是医院内部信息化平台的碎片化。国内多数科研管理平台是单独的系统，与医院管理信息（HIS）、财务管理、线上办公等系统缺乏联动，造成信息流中断，需要手工将其他平台数据录入到科研管理平台，易出错或遗漏，给科研管理工作带来不便。此外，在科研管理平台内部亦有功能性模块碎片化的问题，如数据库与审核流程未统一，不能形成全链条管理，不能满足现代化的科研管理需求。

其次是系统架构落后。传统的框架往往以单位内部的服务器为中心，管理权限集中于某些管理员，此类中心化架构不能排除服务器被攻击或者管理员恶意损坏或操作失误使平台数据遭受篡改，严重的会使科研成果遭受巨大破坏，浪费科研经费和科研人员的心血。尤其是在“百年未有之大变局”的时代背景下，大国之间的博弈愈加激烈，医学科研数据的安全性更要站在总体国家安全观中去衡量。

二、区块链

（一）区块链的定义及类型

区块链作为一种按照时间顺序将数据区块以链条的方式组合而成的特定数据结构，以此验证和存储数据，并以密码学方式保证的不可篡改和不可伪造的去中心化共享总账。换言之，区块链是记录信息和数据的分布式数字账本，该账本存储于对等網络的多个参与者之间，参与者可以使用加密签名将新的交易添加到现有交易链中，形成安全、连续、不变的链式数据结构。

区块链技术根据实际应用场景和需求具有公共链（public blockchain）、联盟链（consortium blockchain）和私有链（private blockchain）三种类型。公共链是完全去中心化的区块链，无官方组织及管理机构，无中心服务器，参与的节点按照系统规则自由接入网络、不受控制，节点间基于共识机制开展工作。联盟链是部分去中心化的区块链，由若干机构联合发起，接入公有链和私有链之间，取舍两者权利和义务的分配，并对分布式账本的访问做一定的控制，适用于多个实体构成的组织或联盟。私有链则是完全中心化的区块链，其写入权限由中心机构控制，读取权限可视需求有选择性地对外开放，适用于特定机构的内部数据管理与审计等。

（二）区块链的技术架构

2018年中国通信院发布的《区块链白皮书（2018）》给出了一种通用型的区块链系统技术架构，将区块链系统划分为基础设施、基础组件、账本、共识、智能合约、接口、应用、操作运维和系统管理九部分，各层级的主要功能如表1所示，其技术架构逻辑关系如图2。

（三） 区块链的主要特征

基于区块链先进的设计理念与技术架构，其主要特征有：一是分布式。区块链系统内没有中心化的硬件设备和管理机构，各节点之间的权利和义务近乎均等，每个节点都能获得完整的数据拷贝，系统由多个节点共同维护;二是多节点共识。基于区块链系统分布式的特点，各个节点之间无需相互信任，通过共识机制对入链数据进行验证，数据内容和系统运作规则公开透明，节点之间通过技术手段自动实现信息关系;三是公开透明。通过共识机制，账本和商业规则可以被所有人审阅，并可利用时间戳机制对用户行为进行追溯，保证了系统的公开透明;四是不可篡改。区块链上的区块只能新增、不能被替换，交易可以通过新增区块的方式予以修改，但是区块记录将永久保留。

三、区块链与医院科研管理耦合性分析

耦合性是指两个（或两个以上）系统或运动形式通过各种相互作用而彼此影响的现象，常用来说明两类现象之间的关联程度：关联程度越小，独立性越强，耦合性越低;反之，关联程度越大，独立性越弱，耦合性就越高。能否通过引入区块链技术应对医学科研管理工作所面临的挑战，或者说引入区块链技术能够多大程度上缓解医学科研管理平台与科研管理需求之间的矛盾，是分析区块链与医学科研管理耦合性的意义所在。

（一） 区块链技术与医疗机构之间的耦合性

1. 分布式结构与区域医疗中心

区域医疗中心是以国家医学中心为依托，充分发挥国家临床医学研究中心作用，在京、沪等医疗资源富集地区遴选若干优质医疗机构，通过建设分中心、分支机构，促进医师多点执业等多种方式，在患者流出多、医疗资源相对薄弱地区建设区域医疗中心，充分运用“互联网+医疗健康”、人工智能、大数据等先进技术，更好满足群众医疗服务需求。此外，还有各地的区域医疗联合体等机构本质上也产生并存储医学科学研究所需要的数据。区块链的分布式结构本质上就是一种可以在多个网络节点、多个物理地址或者多个组织构成的网络中进行数据分享、同步或复制的去中心化数据存储技术，因此，各区域医疗中心/医联体本身即可看作为区块链上的节点，自然地为由各地医疗机构组成的联盟链提供了基础设施。

2.医疗机构多节点共识机制

共识机制作为区块链技术的基础和核心，从根本上决定了整个区块链系统的安全性、可用性和系统性能等。目前，主流的共识机制主要有工作量证明（Proof ofwork， PoW）、权益证明（Proof of stake， PoS）和委托权益证明（Delegated proof of stake， DPoS）。其中PoW共识的核心思想是通过引入分布式节点的算力竞争来保证数据一致性和共识的安全性;PoS共识是采用权益证明来代替PoW中的基于哈希算力的工作量证明，是由系统中具有最高权益而非最高算力的节点获得区块记账权;DPoS共识机制的思路类似于“董事会决策”，即系统中每个股东节点可以将其持有的股份权益作为选票授予一个代表，获得票数最多且愿意成为代表的前101个节点将进入“董事会”，按照既定的时间表轮流对交易进行打包结算并且签署（即生产）一个新区块。

薛腾飞等人（2017）结合我国目前执行的《医疗标准机构基本标准》和《医院分级管理办法》改良了DPoS的初始化方法，以现阶段的医疗机构评级和信息中心配置规模作为排序依据，设计了一个基于区块链的医疗数据分享模型（MDSM），其共识机制以排在前101位的信息中心被指定为医疗机构联盟服务器群，排在第101为之后的20位被指定为审计联盟服务器群，轮流校验每个被签署的区块是否真实有效，并引入了信用积分作为评分依据，为该链上“董事会”的更替、新增及退出提供了完整机制，保障了所有链上区块功能的完整性与一致性。由此可见，区块链建设所必须的共识机制也同样具备条件。

（二）医学科研管理需求与区块链功能之间的耦合性

1.医学科研数据可追溯性与链式结构

科研数据的可靠性和准确性直接影响到科研成果的产生，保障科研数据准确无误是科研管理平台的基本要求，也是科学研究的“生命线”。医学科研数据不仅来自于临床研究，也来自于基础实验等，不仅参与者众、数据获取周期长，且数据量大，复杂维度高，保障科研数据的一致与可靠并非一件易事。

区块链是一个链表的数据结构，每个区块相互连接，存储了一系列的有序事物，是一个特殊的数据库。与普通数据库最主要的区别是采用了带有时间戳的链式区块结构存储数据给数据增加了时间维度，具有极强的可验证性和可追溯性，既保证了科研数据的准确性，也为科研数据提供了追溯的途径。

2.医学科研经费使用与区块链账簿属性

科研经费使用是否合法与合規、科研经费管理监督是否科学和规范，直接影响着科研质量、科研水平和科研人员的积极性。目前科研经费使用中广泛存在的问题除了浪费和低效外，主要是科研人员违法或违规使用科研经费。区块链本身的公开透明且无法篡改的属性使得区块链自身即可作为去中心化账簿。例如，将实验设备、科研试剂、耗材等供应商纳入以医疗机构中的科研管理、采购、财务、课题组、审计、纪检等有关部门组成的联盟链中，每笔经费支出均被记录在区块链上，公开透明且无法篡改，保障了科研经费使用的合规性与效率。曲广强等人曾对基于区块链的实验教学经费可信任回溯机制进行研究，探索了区块链技术减少实验经费腐败的可能性，结果表明区块链技术可以消除传统的购买、开发票报销流程，使得经费管理更加科学有效。最重要的，区块链中的共识机制为跨部门协作沟通提供了共识基础，在对接财务等较为敏感的信息时，既保障了数据的安全可靠，同时也节省了审批时间，为科研人员提供全流程一体化的管理方案，让科研人员心无旁骛去搞研究。图3为借助于区块链技术搭建的现代化科研管理平台框架，相较传统架构，新的平台通过区块链技术对数据流进行的改造，使其更加安全高效。

四、主要研究结论

本文剖析了现阶段医院科研管理平台的组成机制与面临的挑战，并向以区块链技术为代表的新兴科技索求解决之道。通过分析区块链的技术架构与主要特征和科研管理平台之间在运行机制和功能需求上的耦合性，为医院科研管理平台引入区块链提供理论基础。区块链技术的引进不仅能够切实保障科研数据的安全性，并且有助于在不同机构间建立共识机制，有效降低沟通成本。更巧妙地将不同机构科研管理平台的重复性建设转化为区块链节点，节省建设费用的同时，既维持了科研管理平台开发的高水平与一致性，又整合了全国的医学研究数据资源，更好地发挥我国社会主义集中力量办大事的优势，是提升医学科研管理工作水平的有力工具。