區塊鏈技術如何賦能醫學成像?

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作者丨european society of radiology

圖片丨來源於網路

編者注:歐洲放射學會(european society of radiology)是一個非營利性非治政性國際組織,致力於促進和協調所有歐洲國家放射學的科學、慈善、知識和專業活動。其使命是透過支援科學研究、教育和培訓,不斷提高放射學實踐質量,來滿足公眾的醫療保健服務需求。歐洲放射學會現在全球182個國家擁有121608名成員,是世界上最大的放射學會。

“區塊鏈技術和分散式賬本技術(dlt)很可能成為未來幾十年的突破性技術。它們是一種跨領域技術,可以賦予公民、公共服務和企業以安全、透明、可核查、去中心化和共享資料訪問權的能力。”

摘要

區塊鏈可以被認為是一個分散式資料庫,允許使用者跟蹤資料的來源並且追溯過去修改紀錄的給定資料集。區塊鏈技術的醫學應用正在興起,區塊鏈技術在醫學成像中有許多潛在的應用,通常被用於放射和臨床資料的跟蹤。

區塊鏈技術的臨床應用包括記錄不同“作者”提供的檔案,包括人工智慧演算法對多部分報告的貢獻,記錄人工智慧演算法用於診斷的情況,提高電子病歷相關資訊可及性的可能性,以及使用者可以更好的控制個人健康報告的獲取。

區塊鏈技術在研究中的應用包括在臨床試驗中更好地跟蹤影象資料,更好的描繪人工智慧演算法訓練中生成的影象和註釋資料,從而提高了隱私性和公平性,並有可能使人工智慧的成像資料具有更好的可用性。

區塊鏈技術還允許動態許可,並有可能賦予患者權力,讓他們更好地控制誰訪問了他們的健康資料。此外,區塊鏈技術在行政管理方面也有許多潛在的應用,例如跟蹤學習成果或監控醫療裝置。

本文簡要介紹了區塊鏈技術的基本技術和術語,重點介紹了區塊鏈技術在醫學成像中的潛在應用。

關鍵點

區塊鏈技術是一種分散式賬本技術,允許跟蹤資料,記錄所有資料的來源和變化,包括成像資料。

區塊鏈技術使用加密技術來實現資料的完整性和真實性、資料的透明性、不變性和可驗證性。醫學對於區塊鏈技術的應用正在廣泛的推廣,在醫學成像方面有許多潛在的應用。

 導言

區塊鏈作為一項突破性技術,由於在加密貨幣市場的廣泛應用,已經為公眾所熟悉。它不僅在工業領域上有許多應用,而且在醫療保健和醫學成像方面也有許多應用, 在使用分散式加密資料庫安全儲存醫療資料的情況下,可以安全地儲存與建立、更新或訪問醫療資料有關的資訊。

愛沙尼亞在十年內已經建立了一個完整的以區塊鏈技術為基礎的醫療保健生態系統。區塊鏈允許使用者(病人、醫生、放射學家和科學家)控制如何和由誰使用這些醫療資料。本文旨在探討區塊鏈技術在醫學成像中的潛在應用。闡述這些應用的挑戰性,並提出一些用例,包括影象的所有權和跟蹤、影象註釋、以及人工智慧方面的潛在應用。

為限制本文的篇幅,我們僅僅簡要介紹了區塊鏈技術的基本知識。

區塊鏈技術可以被看作是一個分散式資料庫,跟蹤對資料庫所做的所有更改。與傳統資料庫不同,區塊鏈使用加密技術實現資料的完整性和真實性、資料的透明性、不可變性和可驗證性,透過去中心化信任網路使資訊可靠,而無需使用中心的、可信的主副本。它允許使用者跟蹤資料的來源,以及追溯誰在過去操縱過給定的資料集,區塊鏈可能適用於放射性資料的跟蹤。

區塊鏈技術於1991年首次被提出,用於透過雜湊函式驗證數字文件的真實性。“塊”和“鏈”這兩個詞最早是由一個人或一群化名為“satoshi nakamoto”(身份不明)的人在一份檔案中使用的。雖然當時那份檔案使用了“塊”和“鏈”作為術語,但它並沒有對區塊鏈這個詞進行定義。這個詞後來出現在一個更非正式的場合。它為2007年金融危機後的加密貨幣“比特幣”的出現奠定了基礎,提出了一個公共的點對點電子貨幣體系的基礎。

2013年,vitalik buterin釋出了以太坊平臺,該平臺於2015年正式啟用。以太坊擴充套件了區塊鏈上事務的概念,分散式賬本中任意狀態的更改都可以進行表示。這允許開發者以程式設計方式在區塊鏈上建立通用概念模型。與比特幣不同的是,以太坊是一種區塊鏈技術,它允許在區塊鏈中嵌入程式碼並在網路中執行程式碼,即智慧合約的功能。

如今,大多數區塊鏈專案並沒有建立新的區塊鏈網路,而是依賴於具有執行智慧合約功能的以太坊。

區塊鏈技術基礎

1、區塊鏈和分散式賬本技術的定義

區塊鏈依靠多個節點而不是一箇中央控制節點在分散式網路中儲存資料,這個網路被稱為分散式賬本。資料是以一種不可更改、不可篡改(即寫一次)的方式儲存的,這使得對資料的非法修改變得非常困難。資料只能新增到區塊鏈中,區塊一旦被寫入就不能被移除或修改。因此,儲存的資料是一個不斷增長的記錄列表(塊),一個接一個(鏈)。“區塊鏈是一種分散式資料庫,永久的儲存交易資料並建立防篡改賬本。” 

分散式賬本資料庫以多個節點裝置分佈在對等網路上,其中每個節點複製並儲存一個相同的分類賬副本,並獨立更新自身,其主要的優勢在於沒有中央機構或中央伺服器。

當一個分類賬節點更新時,每個節點構建新的事務,然後節點透過協商一致的演算法投票,驗證副本的正確性。一旦達成共識,所有其他節點都會使用新的、正確的分類賬副本進行自我更新。安全性是透過加密金鑰和簽名來實現的,資料的質量是透過資料庫複製和計算信任來維持的。

區塊鏈技術是分散式賬本技術的一種形式,並非所有分散式賬本都使用區塊鏈來提供安全有效的分散式共識。然而,區塊鏈的結構使其不同於其他型別的分散式賬本,區塊鏈中的資料被分組在一起並組織成區塊,區塊之間相互連結並使用加密技術進行保護。因此區塊鏈技術非常適合記錄事件、管理記錄、處理交易、跟蹤資產和投票

2、區塊鏈技術與傳統資料庫技術的比較

與傳統的資料庫技術不同,區塊鏈技術是去中心化的、可跟蹤的且不可變的。

去中心化是指基於分散式體系結構的資料在區塊鏈上的驗證、儲存、維護和傳輸過程。在這種結構中,分散式節點之間的信任是透過數學方法建立的,而不是傳統資料庫技術中單一節點的集中式組織。

可追溯性意味著區塊鏈上的所有事務都按時間順序排列,一個塊透過加密雜湊函式連線兩個相鄰的區塊。本質上,每個事務都可以透過檢查雜湊鍵連結的塊資訊進行跟蹤。

不可篡改意味著任何事務的篡改都會產生不同的雜湊值(雜湊鍵連結前一個塊並指向下一個塊),會被所有執行相同共識演算法的其他節點檢測到。由於區塊鏈是一個可共享的公開分散式賬本,儲存在數千個節點上,並且進行連續的實時同步,如果攻擊成功則需要達到全網算力的51%以上。

3、公有鏈與私有鏈

區塊鏈分為公有鏈和私有鏈。公有鏈向所有人開放,每個人都可以不經邀請的訪問它。私有鏈的訪問有限制,只有透過邀請並獲得批准的參與者,如醫療專業人員,才可以進入到該區塊鏈當中。

這種差異可以與開放訪問的網際網路和只有經過批准才能訪問的網際網路之間的差異進行比較。公共區塊鏈由於其複雜性和廣泛分佈性,為達成共識提供了較低的吞吐量。私有區塊鏈實現了更高的效率。就其性質而言,比特幣等加密貨幣希望吸引最大數量的參與者併成為公有鏈網路,而許多企業應用程式則使用私有鏈來控制對儲存在區塊鏈上的資料的訪問。

區塊鏈在醫學成像中的應用

1、臨床應用

(1)包括人工智慧系統在內的不同“作者”對多部分報告的貢獻

複雜的放射學研究報告往往包含了多個專家的投入,特別是在不尋常的情況下,往往涉及多個身體系統、專業(如放射科醫師/心臟病醫師聯合報告的心臟成像)或模式(如核醫學醫師/放射醫師聯合報告pet/mr )。

雖然一份單一的報告通常是從現有的投入中綜合出來的,但區塊鏈技術提供了確定誰的意見或專門知識對報告的每一要素負責的可能性,從而便利的確定在需要進一步資訊的情況下與適當的撰稿人進行更直接的協商的可能。報告可以在不同的區塊中構造,而不需要加密的區塊鏈。區塊鏈可以明確每個作者在醫學成像研究評估中的確切責任級別,不同專家的意見將保持單獨簽署,並保留對每項分析的順序。

(2)記錄人工智慧演算法在診斷中的應用

 如同撰寫一份報告的多個人類專家一樣,放射學報告可能包含放射學家和人工智慧生成的內容的組合,例如由人工智慧演算法預填充的結構化報表。在不久的將來,這可能是一種越來越普遍的混合報告形式。同樣,區塊鏈技術有助於區分不同的報告要素,並將納入資訊的責任直接分配給醫生或依賴人工智慧協助的醫生,同時確定是哪一種人工智慧演算法起到了作用。

(3)分享臨床資料、可追溯性報告及閱讀報告

基於區塊鏈技術的電子病歷(emr)已經引發了多年的爭論,這些電子病歷將自動在區塊鏈中儲存關於誰貢獻了電子病歷的哪一部分的資訊。結合旨在向遠端放射科醫生顯示相關資料的演算法,這些電子病歷將使放射科醫生能夠檢視正在處理的病例的相關資料,而無需瀏覽電子病歷的大部分內容。這反過來可能導致更有效和更好地解釋放射學研究。

此外,如果放射科醫生提供後續建議或描述如何管理附帶的發現,這些專案也可以儲存在區塊鏈上並且進行驗證。區塊鏈還允許儲存識別誰有效地讀取了這些電子病歷的哪些部分。這可以在未來用於對偶然發現的跟蹤。所有這些潛在的用途合在一起將提高病人護理的質量。

(4)個人健康檔案控制與影像資料共享控制

確保使用者對資料共享的控制與許多應用程式相關,許多支援使用者控制的資料共享平臺被提出。更具體而言,區塊鏈技術可用於將儲存在電子病歷中的資料的所有者置於對其醫療資料的控制之上。病人有權向他們選擇的改善醫療保健的機構分享敏感記錄。構建允許臨床醫生請求病人資料並使患者能夠授予或撤銷訪問許可權的系統。以類似的方式,區塊鏈還可以使患者能夠控制其影象資料的共享。

2、區塊鏈技術在研究中的應用

(1)生物標誌物衍生的臨床試驗框架

臨床試驗是告知臨床實踐變化的關鍵。嚴格的評判和絕對透明的審計追蹤是成功和可靠評判的必要條件。由於成像常常是識別疾病程序或倒退的基石,區塊鏈技術有可能在臨床試驗中引入一種防止篡改的機制來記錄成像資料。這包括影象處理、分析和定量評估的所有階段。試驗中的成像資料通常來自預先指定的成像協議,這些協議的變化或其不準確的記錄可能會改變影象,從而改變其測量輸出的結果。

區塊鏈的實施消除了在測量之前操縱影象的情況,確保了影象及其測量的完整性。當影象在參與站點之間上載或下載以執行多個度量時,這種稽覈具有特殊的價值。在進行測量之前對影象設定的任何更改都可能會影響結果,而由區塊鏈系統加蓋日期和時間戳,確認何時以及由誰進行更改,將避免不適當的資料操作,並確保重大更改的可跟蹤性。任何資料損壞都將在不需要人工查詢資料的情況下被識別。在一個結果往往依賴於成像測量有效性的時代,記錄測量歷史的可靠方法是至關重要的。

在一些特定的領域,我們可以在一個成像試驗中利用區塊鏈技術進行包括病灶分割和分析演算法的實現。病灶分割傳統上是手動的,隨著技術的發展,越來越多的案例是半自動的甚至完全自動化的。通常使用專家註釋的人工分割資料集來訓練演算法,以自動獲得類似的結果。對訓練集的記錄,以及在專家和軟體的背景下對其進行的調整,將有助於深入瞭解機器學習輸出的依據,並解釋意外的變化。每個區塊的資料組可以透過患者訪視或試驗中特定時間點的檢查組來分配。

當商業或學術研究者分析並報告他們自己的發現時,存在大量存有偏見的證據。應用於臨床試驗中成像的區塊鏈技術將向第三方提供有種源保證的資料集以供分析。這將把推動試驗的假設與預期的結果分開。一個特別的好處是利用成像生物資料庫中的資料集進行二次研究,可以確保原始資料的完整性,特別是在彙集來自多項試驗的資料時。

(2)為科學研究收集資料,特別是為人工智慧演算法的訓練

區塊鏈的一個有趣的應用是記錄誰為人工智慧演算法的培訓貢獻了資料,包括患者和他們的資料、放射科醫生的註釋、以及開發人工智慧演算法的工業合作伙伴。而這將允許將經濟獎勵分配給不同的合作伙伴,這反過來又可能成為患者和放射科醫生參與這個過程的動機。使用區塊鏈技術還將使病人和放射科醫生能夠跟蹤資料的使用情況,從而更好地控制他們的檔案。實驗基準影象資料集表明,採用分散式、聯合深度學習和區塊鏈技術相結合的方法,可以有效地解決協作式深度學習對準確性、保密性和公平性的要求。 

區塊鏈技術的這些特性也有助於為人工智慧培訓提供大量資料。為了訓練有監督的深度學習網路,人們需要儘可能多提供高質量的資料和註釋。如果用於訓練的資料集不夠大,將無法可靠地檢測到罕見病例,從而產生選擇偏差,影響人工智慧系統的通用性。由於我們通常對深度學習模式的內部運作缺乏直接的洞察力,偏見可能是狹隘的甚至是危險的。基於區塊鏈技術的人工智慧演算法不僅可以從多個機構的共享資料中學習,還可以透過回溯或簡單的回放來跟蹤或評估其學習情況,從而對人工智慧決策提供更多的洞察力和更多的人類監督。這確實是區塊鏈技術的一個關鍵價值,類似於產品從生產者到消費者的追蹤。對模型訓練條件的註釋無疑提供了有關其質量的資訊。

區塊鏈技術的另一個好處是可以用於教學和教育資源的材料來源的歸屬判定。區塊鏈技術可確保對教育材料智慧財產權的判定,潛在的增加主要作者分享材料的意願,從而不損失對智慧財產權的信用。

(3)動態許可

動態許可是賦予研究夥伴權力和促進積極參與研究程序的一種新方法。在dwarna專案中生物資料庫的使用表明,使用區塊鏈技術可以讓個人獲取資訊並掌握控制權,以確定他們的生物樣本和資料應該如何以及在何處使用,在使用區塊鏈技術時,促進使用者遵守歐盟《通用資料保護條例》(gdpr)規定的強制執行的擦除。 

(4)賦予病人權力

 目前在中央資料庫中儲存影象並經常使用物理介質傳輸影象的方法不僅會導致患者路徑延遲,而且會使資料受到篡改。patel開發了一個跨域影象共享框架,該框架使用區塊鏈技術作為分散式資料儲存,以建立放射研究和患者定義的訪問許可權的賬本。這個框架允許安全和去中心化的醫療資料共享。它還使患者能夠有效地擁有自己的影象資料,並控制醫療保健提供商的訪問許可權。

3、將區塊鏈技術用於管理

(1)學習和跟蹤學習 

區塊鏈技術可用來記錄和跟蹤學習成果,透過使用區塊鏈上的智慧合同來維護學習成果的雜湊值和管理訪問許可權。ocheja等人描述了一個學習日誌區塊鏈(boll),使學習者能夠以安全和可驗證的格式將學習記錄從一個機構轉移到另一個機構。nasseem等人分析了醫學教育生態系統中區塊鏈部署的潛在用例,以提高現有基礎設施的效率、安全性、功能性和有效性。他們建議使用區塊鏈技術來消除學術認證中的欺詐性問題。

(2)醫療器械監督

隨著醫療器械裝置管理體系(pms)的日益重要和複雜,產生的資料量也越來越大。研究表明,一個具有權威證明共識機制的私有鏈可以為參與pms過程的不同利益相關者提供許多優勢,例如為新的監管舉措提供支援。對於日益重要和複雜的醫療裝置管理體系(pms),越來越多的資料正在產生。研究表明,一個具有權威共識機制的私有資料授權區塊鏈可以為參與經前管理程序的不同利益相關者提供許多優勢,例如為新的監管舉措提供支援。

(3)由於放射學中使用區塊鏈技術而產生的新的商業模式

到今天為止,許多人工智慧應用已經證明了它們在增強醫學成像解釋方面的潛力。有監督的深度學習人工智慧演算法發展的主要障礙之一就是缺乏大量高質量的註釋影象。雖然人工智慧公司的激勵是透過銷售演算法來獲得利益,但要實現患者貢獻其醫學影象的動機,以及放射科醫生做影象註釋的額外工作的動機,就不那麼簡單了。使用區塊鏈技術來跟蹤誰作出了貢獻,可能有助於克服這些障礙,因為它會向那些作出貢獻的人提供激勵。

區塊鏈技術也可用於註釋的協商一致,只有當多個參與者對註釋達成共識時,註釋才被批准,對達成共識的給予獎勵,對不達成共識的給予懲罰。區塊鏈技術還可以幫助建立具有許多資料貢獻者提供的不同來源的資料的大型開放資料庫。區塊鏈技術還有助於個人健康資料的訪問保護和資料完整性的保護。

雖然大多數患者會同意分享他們的健康資料,但如果這些資料被用於一般利益,當製藥或成像公司從他們的資料中獲利時,取得患者的同意可能就不那麼容易了。如果對病人提供他們的資料有一種經濟激勵,這將促進公平和激勵他們的行為。同樣的,對放射科醫生和資料註釋的激勵也是如此,如果可以從資料註釋中獲利,那麼與做這部分工作的人分享部分利潤是公平的。區塊鏈技術允許包括病人和放射科醫生的使用者保持匿名,並控制他們的資料或註釋。他們可以決定免費捐獻,也可以因資料使用而得到獎勵。 

透過為所有參與建立深入學習人工智慧演算法的各方(包括提供資料的患者、對資料進行註釋的放射學家以及實施和培訓這些演算法的公司)創造雙贏的環境,區塊鏈技術可以幫助克服高質量標註的影象資料可用性的瓶頸。

總結

區塊鏈技術是一種非常強大的技術,它以一種不可篡改的方式促進了對源資料的儲存,提供了對儲存資料的所有修改的可跟蹤性。區塊鏈技術提供了關於如何、誰、何時和何處生成資料的可靠資訊,它在醫學和放射學中有著廣泛的應用。

區塊鏈技術透過允許患者和放射科醫生控制資料的使用權和資料註釋圈,增強了患者和放射科醫生對醫學成像做出貢獻的潛力。同時也非常適合儲存病人的資料供臨床使用,放射學界應參與和協作研究與病人護理方面相關的區塊鏈技術的開發和實施。

原報告來自歐洲放射學會(european society of radiology )。中文版本由鏈集市團隊編譯整理,英文版權歸原作者所有,中文轉載請聯絡編譯。


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