《基于物聯(lián)網(wǎng)的多傳感器醫(yī)療架構(gòu)和輕量級(jí)隱私方案》

江海博覽 2022-08-16 發(fā)布于浙江

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近年來(lái)，人們對(duì)高質(zhì)量、低成本、可廣泛獲得和易于在舒適的病人家中獲得的醫(yī)療保健服務(wù)的需求正在迅速增長(zhǎng)。其結(jié)果是產(chǎn)生了醫(yī)療服務(wù)機(jī)構(gòu)正在努力解決的重要問(wèn)題。這些境況導(dǎo)致創(chuàng)造性方法和技術(shù)的逐步融入，這些方法和技術(shù)的集成將將對(duì)醫(yī)療行業(yè)產(chǎn)生重大影響。這類技術(shù)包括物聯(lián)網(wǎng)(IoT)、服務(wù)互聯(lián)網(wǎng)(IoS)、醫(yī)療信息物理系統(tǒng)、云計(jì)算、霧計(jì)算、大數(shù)據(jù)分析、5G、加密術(shù)、區(qū)塊鏈和人工智能(AI)。

物聯(lián)網(wǎng)（IoT）由彼此互連并與互聯(lián)網(wǎng)連接的異構(gòu)設(shè)備組成。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的利用正在迅速增長(zhǎng)，各種系統(tǒng)正在成為解決應(yīng)用受限的有效解決方案。通過(guò)支持組件收集、存儲(chǔ)和分析來(lái)自不同資源的數(shù)據(jù)，同時(shí)保持低成本實(shí)現(xiàn)，物聯(lián)網(wǎng)提供了新的服務(wù)和智能功能。具體而言，就是醫(yī)療保健行業(yè)會(huì)從這些新服務(wù)中受益匪淺。健康4.0為創(chuàng)新物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用而引入了創(chuàng)新方法。通過(guò)遵循其主要設(shè)計(jì)原則，即互操作、虛擬化、去中心化、實(shí)時(shí)能力、面向服務(wù)和模塊化，可以開發(fā)出智能、低成本、可靠、可擴(kuò)展和易于訪問(wèn)的方法，為處于各種健康狀況下的各類人群提供便利。

然而，“健康4.0”的愿景，即物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與醫(yī)療行業(yè)的融合，可能會(huì)給開發(fā)人員帶來(lái)更多的困難。物聯(lián)網(wǎng)元素的可擴(kuò)展性和異構(gòu)性、同時(shí)使用眾多組件和醫(yī)療系統(tǒng)的微妙結(jié)構(gòu)可能是一個(gè)令人棘手的組合，特別是在沒(méi)有正確理解基于物聯(lián)網(wǎng)的醫(yī)療基礎(chǔ)設(shè)施的架構(gòu)和運(yùn)作的情況下。此外，安全性是醫(yī)療物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)開發(fā)的一個(gè)重要因素。由傳感器收集并在設(shè)備之間共享的數(shù)據(jù)包含有私人信息。只有經(jīng)過(guò)授權(quán)的用戶才能訪問(wèn)這些醫(yī)療數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)在傳輸?shù)轿锫?lián)網(wǎng)智能健康網(wǎng)絡(luò)的過(guò)程中必須保持完整和有效加密。對(duì)它們的不當(dāng)保護(hù)要承擔(dān)法律和倫理上的責(zé)任，因?yàn)楣粽呖赡軙?huì)利用其損害用戶的利益。

此外，系統(tǒng)必須只接受來(lái)自可信設(shè)備和組件的數(shù)據(jù)，以防止偽造病史和提高遠(yuǎn)程診斷的準(zhǔn)確性。系統(tǒng)還必須能夠在不受攻擊的情況下持續(xù)執(zhí)行其主要功能，因?yàn)樵陉P(guān)鍵運(yùn)作中即使是很小的延遲也會(huì)威脅到用戶的生命。例如，在智能健康應(yīng)用程序中，需要立即響應(yīng)告警類醫(yī)療服務(wù)或提供急救援助，特定類型的攻擊可能會(huì)延遲這些功能過(guò)程，使系統(tǒng)為患者和醫(yī)務(wù)人員提供便利的目的失效。因此，主要安全方案的應(yīng)用和維護(hù)，如保密性、可用性和完整性，是研究界關(guān)注的主要問(wèn)題。

顯然，健康4.0創(chuàng)新性地融合了物聯(lián)網(wǎng)(IoT)及其異構(gòu)設(shè)備和傳感器，其結(jié)果是創(chuàng)建了大量智能健康應(yīng)用程序，這些應(yīng)用程序可以更有效、更可靠、更可擴(kuò)展和更經(jīng)濟(jì)，同時(shí)為人們的日常生活和健康提供了諸多便利。然而，如果沒(méi)有適當(dāng)?shù)闹笇?dǎo)，基于物聯(lián)網(wǎng)的醫(yī)療系統(tǒng)的使用可能會(huì)很復(fù)雜，尤其是在安全挑戰(zhàn)方面。因此，必須首先正確了解基于物聯(lián)網(wǎng)的多傳感器系統(tǒng)和醫(yī)療保健基礎(chǔ)設(shè)施的結(jié)構(gòu)和安全需求。此外，必須引入提供輕量級(jí)、易于實(shí)現(xiàn)和高效方法的新架構(gòu)。本文概述了醫(yī)療保健領(lǐng)域的物聯(lián)網(wǎng)集成，并對(duì)高效的智能健康框架進(jìn)行了系統(tǒng)分析，該框架主要采用多種資源和能量受限的設(shè)備和傳感器。

本文的另一個(gè)關(guān)注點(diǎn)是這些關(guān)鍵物聯(lián)網(wǎng)組件的安全需求，尤其是其無(wú)線通信的安全要求。作為一種解決方案，本文介紹了一種輕量級(jí)的安全方案，該方案利用了輕量級(jí)密碼原語(yǔ)LEAIoT。與原來(lái)的基于CPU的實(shí)現(xiàn)相比，所提出的基于硬件的設(shè)計(jì)顯示了優(yōu)異的結(jié)果，密鑰生成速度提高了99.9%，加密/解密速度提高了96.2%。最后，由于其輕量級(jí)和靈活的實(shí)現(xiàn)以及高速密鑰設(shè)置，它可以與其他常見(jiàn)的基于硬件的加密體系結(jié)構(gòu)競(jìng)爭(zhēng)，它以最低的頻率和平均吞吐量實(shí)現(xiàn)了高達(dá)87.9%的低硬件利用率。

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