私密的体域网:让植入式医疗设备更安全!

IntelligentThin 2019-03-13 21:04

导读


近日,美国普渡大学的工程师们通过一项技术让通信信号保持在人体内,进一步加强了联网的植入式医疗设备的安全性。


背景


时下,物联网的发展为人们生活带来诸多便利,可随之而来的安全性问题与威胁也不断增多。举例来说,如果一辆行驶中的汽车被黑客控制,那么驾驶员将会失去控制权;如果智能门锁受到黑客入侵,那么小偷就可以轻松地破门而入;如果家中的网络摄像头遭受黑客攻击,那么家中的隐私就会暴露无余。



近年来,新一代的植入式医疗电子设备逐渐取代传统便携式医疗器械,成为全球医疗研发的热点。相比于传统便携式医疗电子设备,植入式医疗设备更方便、快捷、准确、便宜。这些植入式医疗设备包括心脏起搏器、胰岛素泵、神经刺激器等。它们具有数据采集、无线连接、远程监控、近场通信等功能,不仅可以监测各种人体健康指标,还可以治疗疾病和修复人体机能。


(图片来源:Islam Mosa/康涅狄格大学、Maher El-Kady/加州大学洛杉矶分校)


(图片来源:Rikky Muller, 加州大学伯克利分校)


可是,如果植入式医疗设备遭受黑客攻击,那么病人的生命安全将面临直接威胁。例如,攻击者可通过远程安装恶意软件的方式控制心脏起搏器,使之对心脏产生致命打击,或者需要挽救病人生命时却拒绝工作。假如攻击者侵入的是糖尿病患者的胰岛素泵,那么他就可以远程控制药物剂量,使之变为致命的剂量。


黑客(图片来源:普渡大学)


然而,这种攻击的重要手段之一,就是拦截和分析医疗植入式设备与外界通信的无线电信号。


创新


近日,美国普渡大学的工程师们通过一项技术让通信信号保持在人体内,进一步加强了联网的植入式医疗设备的安全性。这种私密的通信网络仅能被你自己和你的设备访问,而其他人例如黑客非常难以攻破。


人体可以很好地携带信号,普渡大学新开发的技术能让信号处于非常靠近人体的范围之内。(图片来源:Erin Easterling/普渡大学)

                  

这项研究发表在《科学报告(Scientific Reports)》期刊上。论文作者包括普渡大学电子与计算机工程系助理教授 Shreyas Sen,以及他的学生 Debayan Das、Shovan Maity、Baibhab Chatterjee。


技术


为了更好地从技术角度来理解这项研究,我们首先来看一个新概念:“体域网(body area networks)”。体域网,是附着在人体身上的一种通信网络。它是以人体周围的可穿戴设备例如智能手表、智能手环、电子皮肤等,以及人体内部的植入式设备、可吞咽式设备等为对象的无线通信专用系统。体域网最新的国际标准是IEEE802.15.6标准。


体域网(图片来源: 贝尔法斯特女王大学)


目前,无线体域网(WBAN采用了传统的窄带通信技术例如蓝牙技术在人体及其周围传播信号。这些电磁波至少可以在人体周围10米半径范围内被检测到。然而,这些无线电信号有可能会被黑客通过技术窃听到,从而威胁设备安全。


普渡大学的科研团队采用的是一种称为“电准静态场人体通信(EQS-HBC”的方法,通过采用低频率无载波(宽带)传输的方法,将信号限制在人体之内,使得邻近的窃听者很难截获关键的隐私数据,形成一种私密的通信信道,也就是人体。


如下图所示:两个人佩戴着发射器(起搏器)以及随身的集线器分别采用EQS-HBC(左)和WBAN(右)进行通信。对于体内的EQS-HBC方式来说,信号会通过位于由通信模块、处理模块、存储器和电源组成的发射器下方的铜电极带接口,耦合到人体表面。发射的信号流过人体皮肤下方的低电阻层,被接收器的电极获取到。从另一方面说,WBAN 则采用天线将电磁波地传输至更远的距离,然而却有可能被附近的窃听者获取到。EQS-HBC 方案的私密空间是人体附近0.15米的范围,而WBAN的私密空间范围是5米左右。


(图片来源: 参考资料【2】)


价值


未来,体域网面临的挑战不仅在于安全性,也在于更高的带宽以及更低的功耗。普渡大学开发的这种新技术,不仅使得通信信号处于人体之内,并只会在人体表面很近的区域产生泄露,也使得功耗低于传统蓝牙通信的百分之一。这是一种安全又节能的通信方式。


未来,它将为医生重新设计植入式医疗设备、可穿戴设备提供一种新思路。研究人员称,这是他们第一次从物理层面去理解人体通信的安全特性,它将有望带来私密的体域网,从而阻止黑客窥探重要信息。


关键字


安全物联网可穿戴设备植入式设备黑客


参考资料


【1】https://www.purdue.edu/newsroom/releases/2019/Q1/your-body-has-internet--and-now-it-cant-be-hacked.html

【2】Debayan Das, Shovan Maity, Baibhab Chatterjee, Shreyas Sen. Enabling Covert Body Area Network using Electro-Quasistatic Human Body Communication. Scientific Reports, 2019; 9 (1) DOI: 10.1038/s41598-018-38303-x




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