欧洲放射学会:区块链技术如何实现医学成像?

编者按:欧洲放射学会是一个非营利性、非政府的国际组织,致力于促进和协调所有欧洲国家的放射科学、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的质量,以满足公共卫生保健服务的需要。欧洲放射学会在182个国家拥有121608名会员,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。它们是跨学科的技术,为公民、公共服务和企业提供了安全、透明、可验证、分散和共享数据访问的能力。”

摘要

区块链可以看作是一个分布式数据库,它允许用户跟踪数据的来源,并跟踪过去修改记录的给定数据集。区块链技术的医疗应用正在兴起。区块链技术在医学成像领域有着广泛的应用前景,通常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”提供的文档,包括人工智能算法对多部分报告的贡献,记录人工智能算法在诊断中的应用,提高了获取电子病历相关信息的可能性,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,包括更好地跟踪临床试验中的图像数据,更好地描述人工智能算法训练中生成的图像和注释数据,从而提高隐私性和公平性,可以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,并有可能使患者能够更好地控制谁可以访问他们的健康数据。此外,区块链技术在管理方面有许多潜在的应用,如跟踪学习结果或监控医疗设备。

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影像中的潜在应用。

重点

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

区块链技术利用加密技术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。区块链技术在医学领域的应用得到了广泛的推广,在医学影像领域有着许多潜在的应用。

介绍

区块链作为一种突破性的技术,由于其在加密货币市场的广泛应用而为公众所熟悉。它不仅在工业上有许多应用,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10年内建立了一个基于区块链技术的完整医疗生态系统。区块链允许用户(患者、医生、放射科医生和科学家)控制这些医疗数据的使用方式和使用人。本文旨在探讨区块链技术在医学影像领域的潜在应用。本文描述了这些应用的挑战,并提出了一些用例,包括图像所有权和跟踪、图像注释以及在人工智能中的潜在应用。

为了限制本文的篇幅,我们只简单介绍了区块链技术的基本知识。

区块链技术可以看作是一个分布式数据库,跟踪数据库的所有变化。与传统数据库不同的是,区块链利用加密技术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,通过分散的信任网络使信息可靠,而不需要使用中心可信的主副本。它允许用户跟踪数据源,以及跟踪谁在过去操纵过给定的数据集。区块链可能适合跟踪放射性数据。

区块链技术最早于1991年提出,通过哈希函数验证数字文档的真实性。一个人或一群化名为“Satoshi Nakamoto”(身份不明)的人首先在文档中使用“块”和“链”这两个词。尽管文档当时使用了“区块”和“链”这两个术语,但并未定义区块链这一术语。这个词是在一个更非正式的场合出现的。这为2007金融危机后比特币的出现奠定了基础,并提出了建立公共点对点电子货币体系的基础。

Vitalik buterin于2013年发布了以太坊平台,该平台于2015年正式推出。以太坊扩展了区块链交易的概念。可以表示分布式分类帐中的任何状态更改。这允许开发人员以编程方式在区块链上构建一个通用的概念模型。与比特币不同,以太坊是一种区块链技术,它允许代码嵌入区块链并在网络中执行,即智能合约的功能。

如今,大多数区块链项目并不创建新的区块链网络,而是依赖于具有执行智能合约能力的以太坊。

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,这被称为分布式账本。数据的存储方式是不可更改和篡改的(即一次写入),这使得非法修改数据非常困难。数据只能添加到区块链中。块一旦被写入,就不能被删除或修改。因此,存储的数据是一个不断增长的记录(块)列表,一个接一个(链)“区块链是一种分布式数据库,永久存储交易数据并建立防篡改账簿。”

欧洲放射学会:区块链技术如何实现医学成像?

分布式账本数据库分布在具有多个节点设备的对等网络上。每个节点复制并保留同一分类账的一个副本,并独立更新自身。它的主要优点是没有中央组织或中央服务器。

当一个账本节点被更新时,每个节点构造一个新的事务,然后节点通过协商一致的算法进行投票,以验证副本的正确性。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块。这些块相互连接,并受到加密技术的保护。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,区块链技术具有分散性、可追溯性和不可更改性。

去中心化是指基于分布式架构的区块链上数据的验证、存储、维护和传输。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个节点的集中式组织。

可追溯性意味着区块链上的所有交易都按时间顺序排列,一个区块通过加密的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来跟踪。

防篡改意味着任何事务篡改都将产生不同的哈希值(哈希键链接上一个块并指向下一个块),运行相同一致性算法的所有其他节点都将检测到该哈希值。由于区块链是一个可共享的公共分布式账本,存储在数千个节点上,实时连续同步,如果攻击成功,需要达到网络总计算能力的51%以上。

3.公链和私链

区块链分为公共链和私有链。公共连锁店向所有人开放,每个人都可以不受邀请地参观。进入私人连锁店的机会有限。只有获得邀请和批准的参与者,如医疗专业人员,才能进入区块链。

这种差异可以与开放式互联网和只有获得许可才能访问的互联网之间的差异进行比较。由于其复杂性和广泛的分布,公共区块链为共识提供了低吞吐量。私有区块链实现了更高的效率。从本质上讲,比特币等加密货币希望吸引最大数量的参与者,成为公共链网络,而许多企业应用程序使用私有链来控制对存储在区块链上的数据的访问。

区块链在医学影像中的应用

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通常涉及多个专家的输入,特别是在不寻常的情况下,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/放射科医师联合报告的PET/MR)。

尽管单个报告通常是从现有输入合成的,但区块链技术提供了确定谁的意见或专业知识对报告的每个元素负责的可能性,从而有助于在需要进一步信息时与适当的贡献者进行更直接的协商。报告可以在不同的块中构建,而不需要加密的区块链。区块链可以定义每个作者在医学影像研究评估中的确切责任级别。不同专家的意见将分别签署,并保留每次分析的顺序。

(2) 人工智能算法在诊断中的应用

与编写报告的多个人类专家一样,放射学报告可能包含放射科医生和人工智能生成的内容的组合,例如人工智能算法预先填充的结构化报告。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,将整合信息的责任直接分配给医生或依赖人工智能辅助的医生,并确定哪种人工智能算法发挥作用。

(3) 共享临床数据、可追溯性报告和阅读报告

基于区块链技术的电子病历(EMR)引起了多年的争论。这些电子病历将自动存储有关谁在区块链中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的解释放射学研究。

此外,如果放射科医生提供后续建议或描述如何管理偶然发现,这些项目也可以存储在区块链上并进行验证。区块链还允许存储识别谁有效读取了这些电子病历的哪些部分。这可以在将来用于跟踪意外发现。所有这些潜在的用途结合起来将提高病人护理的质量。

(4) 个人健康记录控制和图像数据共享控制

为了保证用户控制数据共享与多个应用相关,提出了多个支持用户控制的数据共享平台。更具体地说,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其医疗数据的控制之上。患者有权与他们选择的改善医疗保健的机构分享敏感记录。建立一个允许临床医生请求患者数据并允许患者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控制其图像数据的共享。

2.区块链技术在科研中的应用

(1) 生物标志物衍生临床试验框架

临床试验是告知临床实践变化的关键。严格的判断和绝对透明的审计线索是判断成功和可靠的必要条件。由于成像通常是识别疾病进展或消退的基石,区块链技术可能会引入防篡改机制来记录临床试验中的成像数据。这包括图像处理、分析和定量评价的所有阶段。实验中的成像数据通常来自预先指定的成像协议。这些协议的更改或其不准确的记录可能会改变图像,从而改变测量输出的结果。

欧洲放射学会:区块链技术如何实现医学成像?

区块链的实现消除了测量前对图像的操作,保证了图像及其测量的完整性。在参与站点之间上载或下载图像以执行多个测量时,此审核具有特殊的价值。测量前对图像设置的任何更改都可能影响结果,区块链系统的日期和时间戳用于确认更改的时间和人员,将避免不适当的数据操作,并确保重大更改的可追溯性。无需手动数据查询即可识别任何数据损坏。在一个结果往往取决于成像测量有效性的时代,一种可靠的记录测量历史的方法至关重要。

在某些特定领域,我们可以利用区块链技术进行成像实验,包括病灶分割和分析算法的实现。随着科技的发展,越来越多的病例是半自动甚至全自动的。为了自动获得相似的结果,算法通常采用人工分割的数据集进行训练,并由专家进行标注。记录训练集并在专家和软件的背景下对其进行调整将有助于理解机器学习输出的基础并解释意外的变化。每个区块的数据组可在试验的特定时间点通过患者就诊或检查组进行分配。

当商业或学术研究人员分析和报告他们自己的发现时,有很多有偏见的证据。区块链技术应用于临床试验成像,将为第三方分析提供具有种子源保障的数据集。这将把驱动测试的假设与预期结果分开。一个特别的优点是,使用影像生物学数据库的数据集进行的二次研究可以确保原始数据的完整性,特别是当来自多个试验的数据汇集在一起时。

(2) 为科学研究收集数据,特别是人工智能算法训练

区块链的一个有趣应用是记录谁为人工智能算法的培训贡献了数据,包括患者及其数据、放射科医生的笔记以及开发人工智能算法的工业合作伙伴。这将允许将经济奖励分配给不同的合作伙伴,这反过来可能会激励患者和放射科医生参与这一过程。区块链技术的使用还将使患者和放射科医生能够跟踪数据的使用,从而更好地控制他们的文件。实验基准图像数据集表明,分布式、联合深度学习和区块链技术相结合的方法能够有效地解决协同深度学习对准确性、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。为了训练一个有监督的深度学习网络,人们需要提供尽可能多的高质量数据和注释。如果用于训练的数据集不够大,就无法可靠地检测出罕见病例,造成选择偏差,影响人工智能系统的通用性。由于我们通常缺乏对深度学习模式内在运作的直接洞察,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回放来跟踪或评价其学习情况,为人工智能决策提供更多的洞察和更多的人性化监督。这确实是区块链技术的一个关键价值,类似于跟踪产品从生产者到消费者。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优势是可以用来确定教学和教育资源的来源。区块链技术可以确保教材知识产权的确定,有可能增加主要作者共享教材的意愿,以免失去知识产权的信用。

(3) 动态许可

动态许可是赋予研究伙伴权力并促进其积极参与研究过程的一种新方法。生物数据库在dwarna项目中的应用表明,区块链技术的使用可以使个体获得信息和控制,从而决定如何以及在何处使用其生物样本和数据。在使用区块链技术时,它可以促进用户遵守欧盟通用数据保护条例(gdpr)中规定的强制擦除。

(4) 赋予患者权力

目前,将图像存储在中心数据库中,并经常使用物理媒体传输图像的方法,不仅会导致患者路径延迟,而且会造成数据篡改。Patel开发了一个跨域图像共享框架,它使用区块链技术作为分布式数据存储,建立放射研究和患者定义访问权限的账本。这个框架允许安全和分散的医疗数据共享。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者的访问权限。

3.利用区块链技术进行管理

(1) 学习与跟踪学习

区块链技术可用于记录和跟踪学习成果,维护学习成果的哈希值,并通过区块链上的智能合约管理访问权限。Ocheja等人描述了一个学习日志区块链(boll),它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。nasseeet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。他们建议利用区块链技术消除学术认证中的欺诈行为。

(2) 医疗器械监管

随着医疗器械管理系统(PMS)的重要性和复杂性的不断提高,产生的数据量也在不断增加。研究表明,具有权威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,例如支持新的监管举措。随着医疗设备管理系统的日益重要和复杂,产生的数据越来越多。研究表明,具有权威共识机制的私有数据授权区块链可以为参与预管理过程的不同利益相关者提供许多优势,例如支持新的监管举措。

(3) 放射科使用区块链技术产生的新商业模式

到目前为止,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。有监督深度学习人工智能算法发展的主要障碍之一是缺乏大量高质量的标注图像。虽然人工智能公司的动机是通过销售算法获取利益,但要实现患者贡献医学图像的动机和放射科医生做额外图像标注工作的动机并不是那么简单。利用区块链技术追踪贡献者可能有助于克服这些障碍,因为它为贡献者提供了激励。

区块链技术也可以用于注释共识。只有当多个参与者就注释达成共识时,注释才会被批准。达成共识的将得到奖励,未达成共识的将受到惩罚。区块链技术还可以利用许多数据贡献者提供的不同来源的数据,帮助创建大型开放数据库。区块链技术还有助于保护个人健康数据的访问和完整性。

虽然大多数患者会同意分享他们的健康数据,但当制药或成像公司从他们的数据中获利时,如果这些数据用于一般利益,获得患者的同意可能并不容易。如果对患者提供数据有经济激励,将促进公平并激励他们的行为。放射科医生和数据注释也是如此。如果你能从数据注释中获利,那么和做注释的人分享部分利润是公平的。区块链技术允许包括患者和放射科医生在内的用户保持匿名,并控制他们的数据或注释。他们可以决定免费捐赠,也可以因使用这些数据而获得奖励。

通过为参与创建深度学习人工智能算法的各方创造一个双赢的环境,包括患者提供数据、放射科医生注释数据以及实施和培训这些算法的公司,区块链技术可以帮助克服高质量注释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,它以防篡改的方式促进源数据的存储,并为存储数据的所有修改提供可追溯性。区块链技术提供了有关如何、谁、何时何地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和数据注释的使用权,增强了患者和放射科医生为医学成像做出贡献的潜力。同时,它也非常适合存储患者数据以供临床使用。放射学界应参与并合作开发和实施与患者护理相关的区块链技术。

最初的报告来自欧洲放射学会。中文版由连锁超市团队编写,英文版权归原作者所有。如果您想重印中文版,请与编译人员联系。

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