Ứng dụng công nghệ blockchain để thu thập, chẩn đoán và chia sẻ dữ liệu lâm sàng một cách an toàn qua smartphone

Hasib Mahmud1, Tanzilur Rahman1
1Department of Electrical and Computer Engineering, North South University, Dhaka, Bangladesh

Tóm tắt

Cá nhân hóa trong dịch vụ chăm sóc sức khỏe đã trở nên phổ biến trong những năm gần đây với sự phát triển và triển khai nhanh chóng của các thiết bị đeo được, điện thoại thông minh với cảm biến mạnh mẽ, Internet vạn vật, và các giải pháp Telemedicine. Hiện nay, việc để bệnh nhân giữ quyền sở hữu dữ liệu y tế cá nhân, tổ chức một cách an toàn và chia sẻ chúng với những người khác trong hệ thống một cách ẩn danh đã trở nên cần thiết. Trong bài báo này, chúng tôi đề xuất một framework mạng an toàn dựa trên công nghệ blockchain, Hệ thống Tập tin Liên hành tinh (IPFS), và mã hóa, có trách nhiệm cho việc nhập dữ liệu y tế, truyền tải, phân phối, phân tích, và quản lý giữa bệnh nhân, bác sĩ, và các máy chủ từ xa với khả năng tự động tạo báo cáo. Để làm cho hệ thống có khả năng mở rộng cao và giảm chi phí của mỗi giao dịch trên Blockchain phát sinh từ tiền điện tử, chúng tôi đã sử dụng BigchainDB và IPFS, là các mạng ngang hàng (P2P) không cần yêu cầu tiền điện tử cho các giao dịch. Chúng tôi cũng đã triển khai một hệ thống thanh toán dựa trên mã thông báo có thể phân chia, nơi bệnh nhân chuyển quyền sở hữu một số lượng mã thông báo cho bác sĩ để nhận phản hồi về các báo cáo. Bệnh nhân có thể nhập dữ liệu, xem giao dịch, tạo báo cáo, yêu cầu phản hồi từ bác sĩ, và quản lý thanh toán. Các bác sĩ đã đăng ký trong hệ thống có thể quyết định truy cập báo cáo, cung cấp phản hồi, và kiểm tra trạng thái thanh toán của họ. Người dùng (Bác sĩ, Bệnh nhân) sẽ hoàn toàn ẩn danh với nhau và hoạt động cũng như dữ liệu của họ sẽ được mã hóa và không thể thay đổi trong hệ thống được đề xuất. Một ứng dụng trên smartphone đã được phát triển như một minh chứng có thể ghi âm đại diện cho điện tâm đồ (PCG) từ bệnh nhân, gửi đến máy chủ từ xa để tạo báo cáo và cho bác sĩ để nhận phản hồi trong khi vẫn duy trì tính toàn vẹn dữ liệu. Máy chủ từ xa cũng có thể được trang bị chẩn đoán tự động dựa trên AI, do đó framework được đề xuất có thể được mở rộng hơn nữa trong tương lai gần. Chúng tôi đã đánh giá hiệu suất của framework được đề xuất thông qua một nền tảng thử nghiệm căn cứ vào BigchainDB với độ dung sai lỗi Byzantine (BFT) xác nhận giảm gần 20 lần thời gian thực thi và xác thực cho 2000 giao dịch đồng thời, và có thông lượng cao hơn so với tài liệu hiện có.

Từ khóa

#Công nghệ blockchain #dữ liệu lâm sàng #an toàn thông tin #thoại tim #AI #thanh toán điện tử #y tế từ xa

Tài liệu tham khảo

Riazul Islam SM, Kwak D, Humaun Kabir M, Hossain M, Kwak K-S (2015) The Internet of Things for health care: A comprehensive survey. IEEE Access 3:678–708

Akkaoui R, Hei X, Cheng W (2020) EdgeMediChain: A Hybrid Edge Blockchain-Based Framework for Health Data Exchange. IEEE Access 8:113467–113486, Available: https://doi.org/10.1109/access.2020.3003575

Mosa A, Yoo I, Sheets L (2012) A Systematic Review of Healthcare Applications for Smartphones. BMC Med Inf Decis on Making 12:67. https://doi.org/10.1186/1472-6947-12-67

Hernández-Neuta I, Neumann F, Brightmeyer J, Ba Tis T, Madaboosi N, Wei Q, Ozcan A, Nilsson M (2019) Smartphone-based clinical diagnostics: towards democratization of evidence-based health care. J Internal Med 285(1):19–39. https://doi.org/10.1111/joim.12820

Organization W (2010) Telemedicine. World Health Organization, Geneva

Tian S, Yang W, Le Grange JM, Wang P, Huang W, Ye Z (2019) Smart healthcare: making medical care more intelligent. Glob Health J 3(3):62–65

Chen Y, Ding S, Xu Z, Zheng H, Yang S (2018) Blockchain-Based Medical Records Secure Storage and Medical Service Framework. J Med Syst 43(1), Available: https://doi.org/10.1007/s10916-018-1121-4

Xia Q, Sifah E, Smahi A, Amofa S, Zhang X (2017) BBDS: Blockchain-Based Data Sharing for Electronic Medical Records in Cloud Environments. Information 8(2):44, Available: https://doi.org/10.3390/info8020044

Ali S, Wang G, White B, Cottrell RL (2018) A Blockchain-Based Decentralized Data Storage and Access Framework for PingER, 2018 17th IEEE International Conference On Trust, Security And Privacy In Computing And Communications/ 12th IEEE International Conference On Big Data Science And Engineering (trustcom/bigdataSE), New York, pp 1303–1308. https://doi.org/10.1109/TrustCom/BigDataSE.2018.00179

Dubovitskaya A, Xu Z, Ryu S, Schumacher M, Wang F (2018) Secure and Trustable Electronic Medical Records Sharing using Blockchain. AMIA Ann Sympos Proceed AMIA Sympos 2017:650–659

Why — and More Importantly, How — Blockchain Solves The Health Data Problem – HealthBank.coop, Healthbank.coop, 2020. [Online]. Available: https://www.healthbank.coop/2019/01/30/why-and-more-importantly-how-blockchain-solves-the-health-data-problem/. [Accessed: 24- Jun- 2020]

Shahnaz A, Qamar U, Khalid A (2019) Using Blockchain for Electronic Health Records. IEEE Access 7:147782–147795, Available: https://doi.org/10.1109/access.2019.2946373

Tripathi G, Ahad M, Paiva S (2020) S2HS- A blockchain based approach for smart healthcare system. Healthcare 8(1):100391, Available: https://doi.org/10.1016/j.hjdsi.2019.100391

Dimitrov D (2019) Blockchain Applications for Healthcare Data Management. Healthcare Inf Res 25(1):51. Available: https://doi.org/10.4258/hir.2019.25.1.51

Shi S, He D, Li L, Kumar N, Khan M, Choo K (2020) Applications of blockchain in ensuring the security and privacy of electronic health record systems: A survey. Comput Secur 97:101966, Available: https://doi.org/10.1016/j.cose.2020.101966

Hölbl M, Kompara M, Kamišalić A, Nemec Zlatolas L (2018) A Systematic Review of the Use of Blockchain in Healthcare. Symmetry 10(10):470, Available: https://doi.org/10.3390/sym10100470

Agbo C, Mahmoud Q, Eklund J (2019) Blockchain Technology in Healthcare: A Systematic Review. Healthcare 7(2):56, Available: https://doi.org/10.3390/healthcare7020056

Tuan NG, Anum N, Jorge PQ, Hannu T, Tomi W (2019) Artificial Intelligence at the Edge in the Blockchain of Things

Cao X, Xu H, Ma Y, Xu B, Qi J (2019) Research on a Blockchain-Based Medical Data Management Model. https://doi.org/10.1007/978-3-030-32962-4_4

Meng W, Li W, Zhu L (2020) Enhancing Medical Smartphone Networks via Blockchain-Based Trust Management Against Insider Attacks. IEEE Trans Eng Manag 67(4):pp. 1377–1386, Available: shttps://doi.org/10.1109/tem.2019.2921736

Chowdhury MJM, Colman A, Kabir MA, Han J, Sarda P (2018) Blockchain Versus Database: A Critical Analysis. Inproceedings of the 17th IEEE International Conference on Trust, Security and Privacy in Computing and Communications and 12th IEEE International Conference on Big Data Science and Engineering: Trustcom/BigDataSE, pp 1348–1353). [8456055] IEEE, Institute of Electrical and Electronics Engineers. https://doi.org/10.1109/TrustCom/BigDataSE.2018.00186

Chitti P, Murkin J, Chitchyan R (2019) Data Management: Relational vs Blockchain Databases. https://doi.org/10.1007/978-3-030-20948-3_17

Sultan K, Ruhi U, Lakhani R (2018) Conceptualizing blockchains: Characteristics and applications. arXiv:1806.03693

Kalogeropoulos A (2018) A Reference Architecture for Blockchain-based Resource-intensive Computations managed by Smart Contracts

Dwivedi DA, Malina L, Dzurenda P, Srivastava G (2019) Optimized Blockchain Model for Internet of Things based Healthcare Applications. 2019 42nd International Conference on Telecommunications and Signal Processing (TSP), Budapest, Hungary, pp 135–139. https://doi.org/10.1109/TSP.2019.8769060

Griggs K, Ossipova O, Kohlios C, Baccarini A, Howson E, Hayajneh T (2018) Healthcare Blockchain System Using Smart Contracts for Secure Automated Remote Patient Monitoring. J Med Syst 42(7), Available: https://doi.org/10.1007/s10916-018-0982-x

Tith D et al (2020) Application of Blockchain to Maintaining Patient Records in Electronic Health Record for Enhanced Privacy, Scalability, and Availability. Healthcare Inf Res 26(1):3, Available: https://doi.org/10.4258/hir.2020.26.1.3

Mikula T, Jacobsen R (2018) Identity and Access Management with Blockchain in Electronic Healthcare Records, pp 699–706. https://doi.org/10.1109/DSD.2018.00008

Stilson B Encrypting Files With Node. https://brandonstilson.com/encrypting-files-with-node/

BigchainDB 2.0 The Blockchain Database (2018). Retrieved 2 July 2020, from https://www.bigchaindb.com/whitepaper/bigchaindb-whitepaper.pdf

Nabih-Ali M, El-Dahshan E-SA, Yahia AS (2017) A review of intelligent systems for heart sound signal analysis. J Med Eng Technol 41(7):553–563. https://doi.org/10.1080/03091902.2017.1382584

Springer DB, Brennan T, Ntusi N, Abdelrahman HY, Liesl J, Zũhlke BM, Mayosi LT, Clifford GD (2016) Automated signal quality assessment of mobile phone-recorded heart sound signals. J Med Eng Technol 40(7-8):342–355. https://doi.org/10.1080/03091902.2016.1213902

FFmpeg. https://ffmpeg.org/

React Native Audio Recorder and Player. https://medium.com/dooboolab/react-native-audio-recorder-and-player-4aa5f26a666

Rosado L, da Costa C, Manuel J, Elias D, Cardoso J (2017) Mobile-Based Analysis of Malaria-Infected Thin Blood Smears: Automated Species and Life Cycle Stage Determination. Sensors 17:2167. https://doi.org/10.3390/s17102167

Faizullah Fuhad KM, Tuba md. JF, Sarker RA, Momen S, Mohammed N, Rahman T (2020) deep learning based automatic malaria parasite detection from blood smear and its smartphone based application. Diagnostics 10:329

Haq TM, Arefin S, Rahman S, Rahman T (2018) Extraction of Fetal ECG from Maternal Abdominal Record in the 3rd trimester of gestation using R-R interval windowing technique. IEEE Workshop On Signal Processing Systems (siPS’18) Cape Town

Hassanuzzaman M. d., Biswas P, Rahman T (2019) End to End Solution for Continuous Monitoring and Real-Time Analysis of Vital Signs from ECG Signal, IEEE R10 Humanitarian Technology Conference (r10-HTC’19), Indonesia

Khan Md. A, Ador K, Rahman T (2019) Automated Diagnosis of Atrial Fibrillation Using Principal Component Analysis-Discriminant Analysis. IEEE TENCON’19, Kerala india

Ubuntu Multipass. https://multipass.run/

McConaghy T Blockchain Infrastructure Landscape: A First Principles Framing. 2017. https://medium.com/@trentmc0/blockchain-infrastructure-landscape-a-first-principles-framing-92cc5549bafe

Aboutorabi S, Rezapour M, Moradi M, Ghadiri N (2015) Performance evaluation of SQL and MongoDB databases for big e-commerce data. https://doi.org/10.1109/CSICSSE.2015.7369245

Zhang J, Yu K, Wen Z, Qi X, Kumar Paul A (2021) 3D Reconstruction for Motion Blurred Images Using Deep Learning-based Intelligent Systems. Comput Mater Cont 66(2):2087–2104. https://doi.org/10.32604/cmc.2020.014220

Tan L, Xiao H, Yu K, Aloqaily M, Jararweh Y (2021) A blockchain-empowered crowdsourcing system for 5G-enabled smart cities. Comput Stand Interfaces. 76:103517, ISSN 0920-5489. https://doi.org/10.1016/j.csi.2021.103517. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S092054892100012X

Sharma P, Neeraj K, Jong P (2018) Blockchain-Based Distributed Framework for Automotive Industry in a Smart City. IEEE Trans Ind Inf:1-1. https://doi.org/10.1109/TII.2018.2887101

Shi N, Tan L, Li W, Qi X, Yu K (2020) A blockchain-empowered AAA scheme in the large-scale HetNet, Digital Communications and Networks, ISSN 2352-8648. https://doi.org/10.1016/j.dcan.2020.10.002

Vora J et al (2018) Ensuring privacy and security in e- health records, 2018 international conference on computer. Inf Telecommun Syst (CITS), pp 1–5. https://doi.org/10.1109/CITS.2018.8440164

Feng C et al (2021) Efficient and Secure Data Sharing for 5G Flying Drones: A Blockchain-Enabled Approach. IEEE Netw 35(1):130–137. https://doi.org/10.1109/MNET.011.2000223

Li H, Yu K, Liu B, Feng C, Qin Z, Srivastava G An Efficient Ciphertext-Policy Weighted Attribute-Based Encryption for the Internet of Health Things. IEEE J Biomed Health Inf. https://doi.org/10.1109/JBHI.2021.3075995

Mahmoud MME, Rodrigues JJPC, Saleem K, Al-Muhtadi J, Kumar N, Korotaev V (2018) Towards energy-aware fog-enabled cloud of things for healthcare. Comput Electr Eng 67:58-69,ISSN 0045-7906, https://doi.org/10.1016/j.compeleceng.2018.02.047. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0045790618300399