[论文解读] FHIRChain: Applying Blockchain to Securely and Scalably Share Clinical Data

Peng Zhang, Jules White+3 more|arXiv (Cornell University)|Jul 9, 2018

Blockchain Technology Applications and Security参考文献 28被引用 47

一句话总结

FHIRChain 提出一种基于区块链的架构，满足 ONC 互操作性要求，以安全且可扩展地共享 FHIR-based 临床数据，并通过用于远程癌症护理的去中心化应用（DApp）和数字健康身份来演示。

ABSTRACT

Secure and scalable data sharing is essential for collaborative clinical decision making. Conventional clinical data efforts are often siloed, however, which creates barriers to efficient information exchange and impedes effective treatment decision made for patients. This paper provides four contributions to the study of applying blockchain technology to clinical data sharing in the context of technical requirements defined in the "Shared Nationwide Interoperability Roadmap" from the Office of the National Coordinator for Health Information Technology (ONC). First, we analyze the ONC requirements and their implications for blockchain-based systems. Second, we present FHIRChain, which is a blockchain-based architecture designed to meet ONC requirements by encapsulating the HL7 Fast Healthcare Interoperability Resources (FHIR) standard for shared clinical data. Third, we demonstrate a FHIRChain-based decentralized app using digital health identities to authenticate participants in a case study of collaborative decision making for remote cancer care. Fourth, we highlight key lessons learned from our case study.

研究动机与目标

• 识别 ONC 在互操作性健康 IT 系统方面的技术要求，并分析它们对区块链的影响。
• 设计一个基于区块链的架构（FHIRChain），将 HL7 FHIR 数据元素封装以实现共享数据交换。
• 演示一个基于 FHIRChain 的去中心化应用（DApp），使用数字健康身份进行身份验证和访问控制。
• 强调远程癌症护理案例研究中的经验教训，并讨论未来的扩展可能性。

提出的方法

• 分析 ONC Shared Nationwide Interoperability Roadmap 的要求，并推导区块链基础系统的架构含义。
• 提出使用链下数据引用结合链上安全令牌的 FHIRChain 架构，以在安全性、隐私和可扩展性之间取得平衡。
• 实现一个 DApp，使用数字健康身份（公钥密码学）进行参与者身份验证和授权管理。
• 通过对照 FHIR API 标准验证引用指针，强制执行 FHIR 数据格式。
• 采用 MVC 风格的模块化设计，以保持系统的适应性并减少信息锁定。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何通过基于区块链的临床数据共享架构来满足 ONC 的互操作性要求？
• RQ2 哪些架构决策能够实现对 FHIR-based 数据的安全、可扩展共享，同时不在链上暴露敏感的患者信息？
• RQ3 基于令牌的权限模型和数字健康身份是否能够在用于协同决策的 DApp 中提供可验证的访问控制？
• RQ4 在区块链驱动架构中强制执行 FHIR 标准是否能够提高共享数据的可读性和互操作性？
• RQ5 在远程癌症护理场景中部署基于 FHIRChain 的 DApp 得出的经验教训有哪些，以及未来工作的方向？

主要发现

• 基于区块链的架构可以通过将身份、数据和权限分离，同时将敏感信息保留在链下来满足 ONC 要求。
• 基于令牌的权限模型，结合 sign-then-encrypt 令牌，使临床医生的访问控制变得安全且可撤销。
• 在共享层强制执行 FHIR 数据格式有助于提高临床医生的互操作性和数据可读性。
• 通过公钥密码学使用数字健康身份，实现可识别且隐私保护的参与者身份认证。
• 一个 DApp 原型展示了在远程癌症护理中的实际协作，并凸显模块化设计的优点以及未来扩展的可能性。