综述：推进区块链与量子技术用于安全电子健康系统：一项系统综述与概念性安全框架

《Electronics》：Advancing Blockchain and Quantum Technologies for Secure E-Health Systems: A Systematic Review and Conceptual Security Framework

　　

医疗保健的快速数字化加速了远程医疗、电子健康记录（Electronic Health Records, EHRs）和医疗物联网（Internet of Medical Things, IoMT）的采用，将医疗保健服务转变为高度互联且以患者为中心的生态系统。针对日益增长的对数据安全、隐私和互操作性的担忧，区块链技术凭借其去中心化、不变性、可审计性和安全访问控制已成为一种有前景的解决方案。然而，许多现有的区块链基础设施依赖于经典密码原语，包括基于RSA或椭圆曲线的公钥机制和SHA-256等密码哈希函数，其相关安全属性可能受到足够强大的量子攻击的影响。本综述调查了区块链与量子技术的融合，以应对电子健康系统中新出现的安全威胁。研究人员根据PRISMA 2020指南，使用IEEE Xplore、PubMed、ACM Digital Library、Google Scholar和Crossref数据库进行了结构化文献综述，涵盖2018年1月至2025年6月期间发表的研究。经过系统的筛选和资格验证过程，研究人员选择并分析了57项相关研究。该综述评估了量子弹性安全机制，包括量子密钥分发（Quantum Key Distribution, QKD）、量子随机数生成（Quantum Random Number Generation, QRNG）以及NIST标准化的后量子密码（Post-Quantum Cryptography, PQC）算法（指定于FIPS 203、FIPS 204和FIPS 205）。基于现有技术水平中确定的研究差距，本研究还提出了一种新颖的四层量子-区块链安全架构（Quantum-Blockchain Security Architecture, QBSA），专为安全医疗保健环境设计。分析进一步揭示了与IoMT设备的轻量级PQC部署、互操作标准化、量子硬件限制以及跨机构医疗保健系统中的法规合规相关的重大挑战。研究结果强调了将量子弹性密码框架与区块链基础设施集成以支持开发安全、可扩展和以患者为中心的下一代电子健康生态系统的必要性。

1. 1.
   引言
   医疗保健服务正在经历深刻的数字化转型，电子健康记录、远程医疗平台和医疗物联网的广泛采用将医疗保健基础设施从孤立的、以机构为中心的系统转向高度互联的数字生态系统。这些进步显著提高了临床效率、远程患者监测、医疗保健可及性和个性化治疗交付，但互联互通的增加也带来了安全、隐私和互操作性挑战。医疗物联网设备持续收集、传输和分析大量敏感患者信息，扩大了网络攻击面。2021年爱尔兰卫生服务局的网络攻击暴露了现代数字医疗基础设施的脆弱性。许多医疗机构仍依赖传统集中式架构，存在透明度有限、互操作性差、单点故障和患者控制不足等问题。区块链通过分布式账本机制、加密哈希、共识协议和智能合约自动化，实现了不可变记录保存、可验证数据溯源、透明审计和去中心化访问控制。然而，区块链在结构上依赖经典密码原语（RSA、SHA-256、ECDSA），这些机制在理论上易受未来大规模量子攻击。Shor算法可高效解决整数分解和椭圆曲线离散对数问题，威胁RSA和ECDSA系统；Grover算法通过加速暴力搜索降低SHA-256的有效安全强度。主要技术组织推进量子计算研究，使现有区块链基础设施的长期安全担忧日益增加。

1.1. 研究的动机

量子计算的出现对基于区块链的医疗保健系统构成关键挑战，因其依赖易受量子攻击的密码算法。尽管PQC、QKD和QRNG的进展提供了有前景的方向，但现有研究分散且主要面向特定应用。当前研究多独立关注区块链安全、后量子密码机制或量子通信协议，而综合这些技术的医疗保健框架有限。医疗物联网设备增加、跨机构数据交换和AI驱动的医疗服务需要可扩展、可互操作且面向未来的安全架构。这些挑战突显了系统研究区块链与量子技术在安全电子健康基础设施中融合的紧迫性。

1.2. 研究贡献

本研究提供了量子弹性基于区块链的医疗保健系统的全面综述和概念框架，主要贡献包括：提供系统文献综述，分析57篇同行评审研究；提供现有框架的比较分析，从六个维度比较20项代表性研究；提供医疗区块链的量子威胁评估，分析量子计算对RSA、ECDSA、SHA-256和传统密钥交换漏洞的影响；提出量子-区块链安全架构（QBSA），通过集成PQC、QKD、QRNG和许可区块链支持安全、可扩展和量子弹性的医疗生态系统；提供NIST标准化PQC算法的技术评估，强调计算效率、安全强度和对IoMT约束部署的适用性；识别开放挑战与未来方向，包括轻量级PQC集成、互操作性、法规合规、量子硬件限制和安全跨境数据交换。

1.3. 研究方法

本综述遵循PRISMA 2020指南，从五个科学来源收集2018年1月至2025年6月的文献。搜索返回556条记录，去重后490条进行标题和摘要筛选，排除383条，剩余107条进行资格评估，排除50条，最终纳入57项研究。筛选为规则辅助并由作者分两次进行。研究充分性使用四项标准评估。引用材料分为四类：57项系统综述文献、背景参考文献、标准和机构报告、以及20项代表性研究的子集。纳入和排除标准明确定义。

1.4. 论文的组织结构

论文其余部分组织如下：第2节概述电子健康系统的基本安全和操作要求；第3节讨论区块链技术在医疗保健中的应用；第4节介绍量子计算原理及其与医疗安全的相关性；第5节分析对基于区块链的电子健康系统的量子威胁；第6节检查量子增强区块链技术的机会；第7节介绍混合框架和提出的QBSA；第8节讨论开放挑战和研究差距；第9节强调未来研究方向；第10节总结论文。

1. 2.
   安全电子健康系统的要求
   现代电子健康生态系统集成了电子健康记录、远程医疗平台、云基础设施、可穿戴设备和医疗物联网技术，以支持高效的医疗保健操作和实时患者监测。安全可靠的电子健康系统必须平衡机密性、完整性、互操作性、可扩展性、患者自主权和量子弹性安全。

2.1. 数据安全与隐私

医疗数据高度敏感，必须确保防止未经授权的访问、篡改、勒索软件攻击、医疗身份盗窃和中间人攻击。医疗保健系统必须保证患者数据的机密性、医疗记录的完整性、安全数据传输和网络事件期间服务的可用性。

2.2. 互操作性与安全数据交换

现代医疗环境涉及医院、实验室、药房、保险公司和远程医疗平台的不同系统，常依赖不同通信标准和数据格式，造成互操作性挑战。健壮的电子健康系统必须支持安全标准化数据交换，同时保持跨机构的数据完整性和一致性。HL7 FHIR和DICOM等标准起重要作用，但在去中心化和多机构环境中保持安全跨平台互操作性仍是重大技术挑战。

2.3. 患者同意管理与保密性

医疗保健法规（如HIPAA和GDPR）要求患者对个人数据有更大控制权。电子健康系统必须支持透明同意管理机制，允许患者授权或撤销访问、控制数据共享权限并确保隐私保护访问管理。安全认证、加密访问控制和可审计数据治理机制是关键要求。

2.4. 可扩展性与系统适应性

医疗物联网设备、可穿戴传感器和医疗数据生成的快速增长对基础设施提出计算和存储需求。电子健康系统必须保持可扩展和适应，支持实时数据处理、远程监测和连续临床服务可用性。传统集中式系统常在高交易量下出现性能瓶颈，现代架构必须支持动态可扩展性、分布式处理、低延迟通信和不影响安全的资源管理。

2.5. 访问控制与量子弹性安全

基于角色的访问控制（RBAC）和基于属性的加密（ABE）被广泛采用，但许多系统仍依赖经典密码算法，可能在大规模量子计算时代变得脆弱。未来基础设施必须过渡到量子弹性密码机制，以保护医疗数据免受经典和量子网络威胁。集成PQC、QKD和基于区块链的信任管理是开发安全下一代医疗生态系统的关键研究方向。

2.6. 总结

安全可靠的电子健康系统必须平衡多项要求，区块链和量子安全密码技术对于建立可信、去中心化和面向未来的基础设施日益重要。

1. 3.
   电子健康中的区块链技术
   区块链是分布式账本技术，在没有中心权威的情况下跨多个节点维护不可变和按时间排序的记录。其核心特征（去中心化、透明性、可追溯性、不变性和可审计性）使其适合解决多利益相关者生态系统中的安全、互操作性和信任管理挑战。

3.1. 区块链在医疗保健中的关键用例

区块链在多个领域获得关注：电子健康记录管理实现安全存储和受控共享，智能合约促进自动同意管理；药品供应链监控提供端到端跟踪，减少假药；远程医疗和远程医疗保健服务支持加密数据交换和可信机构间通信；医疗保健保险和争议解决通过智能合约自动化索赔验证和计费，减少欺诈。

3.2. 当前区块链实现的局限性

尽管有优势，区块链仍面临带宽和交易吞吐量限制、可扩展性挑战（直接上链存储大型数据集不经济）、互操作性障碍（与遗留系统集成复杂）、隐私和监管约束（透明性和不变性与GDPR和HIPAA冲突）以及量子安全漏洞（依赖RSA、SHA-256、ECDSA，易受Shor和Grover算法威胁）。

1. 4.
   量子计算：原理与医疗保健应用
   量子计算基于量子力学原理，利用量子比特（qubits）的叠加、纠缠和量子干涉，比经典计算机更快解决特定问题。叠加允许并行计算；纠缠建立强关联，是QKD基础；干涉放大正确结果。

4.1. 量子计算的医疗保健应用

量子计算在药物发现（模拟分子相互作用）、基因组和精准医学分析（加速测序）、医学成像和诊断（量子增强图像重建）、医疗资源优化（量子退火）以及量子安全医疗安全（QKD、PQC、QRNG提供弹性机制）方面有应用。

4.2. 当前局限性与未来展望

当前量子系统受限于量子比特稳定性、噪声敏感性、纠错挑战和高硬件复杂性。目前无法实际大规模破解广泛部署的密码系统。但主要组织正取得进展，未来几十年量子硬件进步将对经典密码和区块链安全产生重大影响，突显了向量子弹性机制过渡的紧迫性。

1. 5.
   基于区块链的电子健康系统的量子威胁
   基于区块链的电子健康系统依赖经典密码原语进行认证、完整性、机密性和不可否认性。许多基础设施使用ECDSA进行交易签名，SHA-256用于块完整性。Shor算法可解决整数分解和椭圆曲线离散对数问题，威胁RSA、ECDH和ECDSA，可能允许攻击者恢复私钥、伪造签名、冒充实体。Grover算法对对称密码和哈希函数提供二次加速，降低SHA-256的原像和第二原像抵抗，从2²⁵⁶降至约2¹²⁸量子操作，但影响有限。医疗数据高度敏感、长寿命且安全关键，易受“先收集后解密”攻击。安全机构已认识到长期风险，必须向PQC、量子安全密钥管理和混合迁移策略过渡。
2. 6.
   机会：量子增强的电子健康区块链
   量子计算带来挑战，也创造机会。四个主要方向：PQC（NIST标准化FIPS 203、204、205，可替换RSA和ECDSA，用于交易认证）；QKD（基于BB84和E91协议，利用叠加和不可克隆定理检测窃听，但需认证经典通道，不提供端点安全）；QRNG（利用量子过程生成真随机数，加强认证和密钥生成）；量子增强优化（量子退火改善医院资源分配等）。这些技术结合可提高机密性、信任管理和互操作性。
3. 7.
   混合框架、架构与提出的QBSA
   现有研究在集成PQC、QKD、QRNG和区块链方面兴趣增长，但多分散或限于概念。基于文献分析，识别出五类混合框架。

7.1. 现有研究的系统比较

比较20项代表性研究，根据密码方法、区块链平台、医疗应用等维度评估。发现大多数研究关注孤立组件而非完全集成架构；许多实现处于概念或原型阶段；轻量级量子安全机制适合约束IoMT环境仍是开放挑战。需要统一、可扩展和量子弹性的架构。

7.2. 提出的四层量子-区块链安全架构（QBSA）

基于研究差距，提出QBSA，包括：第1层量子硬件层，集成QKD和QRNG建立安全基础，可容纳可信中继节点和量子中继器；第2层后量子密码层，集成NIST标准化算法（ML-DSA替换ECDSA，ML-KEM替换RSA和ECDH，SLH-DSA提供无状态备份签名），采用混合模型；第3层区块链账本层，提供去中心化治理和审计，使用许可区块链（如Hyperledger Fabric），智能合约自动化同意管理和访问控制；第4层医疗应用层，包括用户面服务，通过HL7 FHIR R4 API通信，轻量级PQC集成到约束设备，药品供应链模块和患者面应用支持动态同意撤销。

7.3. NIST标准化PQC算法的技术比较

比较PQC算法，ML-KEM-768提供安全和带宽平衡，ML-DSA-65是区块链交易签名的合理默认选择，紧凑签名方案（如FN-DSA-512）对约束IoMT链接有吸引力。需要额外考虑密钥生成成本、RAM和闪存占用等。

7.4. QKD–区块链集成协议

集成通过四个阶段：量子密钥分发（使用BB84或E91，检测窃听）；安全有效载荷加密（AES-256，密钥由QKD分发）；区块链锚定（加密交易和PQC签名上链）；认证检索和验证（授权实体检索，审计跟踪）。

7.5. 威胁模型、信任假设与安全考虑

QBSA是概念架构，威胁模型考虑网络对手（Dolev-Yao风格）可能记录流量用于未来解密、基于Shor的攻击、妥协少数节点或IoMT端点。信任假设包括证书机构诚实、QKD后处理通道用PQC认证、可信中继节点在安全范围内、端点正确执行密码操作。患者数据存储在链下，只有摘要和同意状态上链，支持GDPR兼容擦除。密钥生命周期包括生成、分发、轮换、撤销。无QKD时退回到仅PQC模式。

7.6. QBSA相对于现有框架的定位

QBSA与五类框架比较，其新颖性在于明确对齐2024 NIST PQC标准，集成所有四个量子安全构建块与许可区块链治理和HL7 FHIR R4互操作性，并明确定义量子到应用的信任链和优雅回退。

7.7. 定量可行性考虑

基于规格和基准，从ECDSA转到ML-DSA-65使每交易签名负载增加约50倍，块容量下降一个数量级。混合迁移阶段IoMT设备需传输双重签名，增加约3.4 kB。嵌入式基准显示ML-KEM和ML-DSA操作在毫秒级，SLH-DSA签名需秒级。QKD城域光纤链路支持千比特每秒密钥率，卫星链路实现洲际覆盖。QBSA保留QKD密钥用于高价值机构间通道，其他依赖ML-KEM。

1. 8.
   挑战与开放研究问题
   尽管潜力巨大，但若干挑战未解决。

8.1. 不成熟的量子硬件基础设施

量子硬件对噪声和热敏感，QKD距离受限。QBSA在Layer 1通过可信中继节点和未来的量子中继器解决，无QKD时退回PQC模式。

8.2. 区块链系统中的PQC集成开销

PQC算法需要更大公钥、密文和签名，增加交易延迟、块大小、存储和网络开销。在许可部署中，表现为更大背书消息和更快账本增长。

8.3. 面向IoMT环境的轻量级PQC

许多医疗设备资源受限，实现PQC困难。需开发轻量级、资源高效的机制，平衡安全、延迟和能耗。

8.4. 监管、伦理和法律挑战

GDPR和HIPAA未设计用于去中心化量子弹性基础设施，跨境数据泄露责任、分布式记录所有权、量子安全保留标准等问题未解决。

8.5. 互操作性与标准化差距

缺乏跨区块链平台、PQC系统、医疗协议和量子安全基础设施的标准化框架。现有标准（HL7 FHIR、DICOM）与区块链/PQC不兼容，阻碍大规模部署。

8.6. 研究挑战总结

向量子弹性基于区块链的医疗系统过渡是多学科挑战，需要密码学、分布式系统、医疗信息学、网络、监管和量子工程的进步。

1. 9.
   未来研究方向
   需要协调的跨学科研究策略。

9.1. 面向资源约束医疗设备的轻量级PQC

优化PQC实现用于约束IoMT环境，最小化延迟和能耗，算法如ML-KEM和FALCON-512是候选。

9.2. PQC原生区块链架构

未来区块链应以量子弹性为基本要求，研究PQC原生智能合约执行环境、量子弹性共识协议、安全身份管理和混合迁移框架。增强HL7 FHIR R4以支持PQC启用区块链。

9.3. 联邦量子-区块链医疗测试床

开发联邦测试床，集成QKD模拟器、PQC区块链、IoMT系统，验证QBSA。计划最小原型在Hyperledger Fabric上使用liboqs实现ML-DSA签名，评估性能。

9.4. 伦理、法律和监管框架发展

开发全球接受的治理框架，确保隐私保护、数据主权、透明同意和法规合规。机制如可逆同意、隐私保护身份管理和量子安全可审计性可能起关键作用。

9.5. AI–量子–区块链融合

AI与量子增强优化和区块链信任管理结合，可改善个性化医疗、预测诊断等。联邦学习与区块链集成支持隐私保护分布式AI训练，PQC和QKD提供量子弹性保护。

9.6. 迈向下一代量子弹性医疗生态系统

未来安全数字医疗将依赖区块链治理、量子安全密码、AI和互操作基础设施的成功集成。未来研究应强调可扩展实现策略、跨学科合作和实际部署验证。

1. 10.
   结论
   本系统综述分析了57项研究，表明区块链通过去中心化等改善了医疗数据管理，但依赖经典密码原语易受量子攻击。Shor和Grover算法构成长期威胁。比较分析揭示了研究差距，提出的QBSA旨在支持安全、可扩展和量子弹性系统。开放挑战包括量子硬件不成熟、PQC开销、轻量级IoMT安全、互操作性和法规框架缺失。未来生态系统将依赖区块链、PQC、量子安全通信和AI的融合，需要跨学科合作以实现安全量子时代的医疗基础设施。