工程师开发新型安全协议以保护微型无线医疗植入设备免受网络威胁
随着医疗技术朝着智能、无线连接的植入设备方向发展，网络健康威胁已成为真实关切。脑部植入设备被劫持以控制癫痫发作、起搏器接收虚假信号扰乱其节律、黑客侵入胰岛素泵输送致命过量药物——这些场景虽似科幻惊悚片，但其风险切实存在。
智能生物电子植入设备有望彻底改变医疗保健，使医生能够远程监测和调整治疗方案。但随着这些设备日益先进，它们也变得更加脆弱。就像智能手机和银行账户一样，医疗植入设备可能成为网络犯罪分子的目标。一旦发生，后果可能危及生命。
在某大学的电气与计算机工程师Kaiyuan Yang正致力于提前应对这些威胁，开发能够抵抗黑客攻击的植入设备，保护患者免受医疗创新阴暗面的影响。
“随着生物医学技术的进步，安全性的利害关系变得前所未有的关键，”运行安全智能微系统实验室的该大学工程师Kaiyuan Yang表示。“想象一下一个微小、无电池的医疗植入设备——不大于一粒米——能够在不进行大手术或药物治疗方案的情况下治疗疾病。”
“例如，这种通过无线供电并通过可穿戴中心连接到互联网的植入设备，可以为患有癫痫或难治性抑郁症等慢性疾病的人的自主权和生命质量带来巨大改变，”该大学电气与计算机工程副教授Yang说。
先进的无线植入技术可以使医生远程监测患者的健康状况并调整治疗，从而不再需要现场测试和治疗。但Yang警告说，这种潜力伴随着严重的风险：黑客可能拦截通信、窃取密码或发送虚假命令，威胁患者安全。
在电气与电子工程师学会旗舰会议国际固态电路会议上，Yang及其团队展示了一种首创的身份验证协议，适用于无线、无电池、超微型植入设备。该协议确保这些设备受到保护，同时仍允许紧急访问。这种被称为磁电数据报传输层安全的协议利用了无线能量传输技术的一个特性，该技术允许医疗植入设备无需电池即可外部供电。通常，当外部电源——或在本例中患者佩戴的外部中心——稍微偏离对齐时，植入设备接收的功率量会发生波动。
“横向或左右移动会导致信号失准，这通常被视为这些系统中的缺陷，但我们通过将二进制值编码到特定移动中，并在患者完全知晓的情况下，将其转化为一项安全功能，”Yang解释道。
例如，通过将短距离移动编码为“1”，较长移动编码为“0”，该协议使用户只需以特定方式移动外部中心即可输入安全访问模式。这种基于模式的输入类似于第二重身份验证因子，就像在使用密码后输入个人识别码或在手机上绘制图案解锁一样。ME-DTLS双因素身份验证的整体用户体验与如今登录银行账户的过程非常相似。用户输入登录凭据，等待带有临时验证码的短信，然后输入此验证码进行登录。
这项创新解决了医疗网络安全中的两个主要问题。首先，它通过需要一个无法远程伪造的物理确认步骤来防止密码被盗。其次，它确保紧急响应人员无需预共享凭据即可访问设备。因此，如果患者失去意识或无法提供密码，植入设备会发送一个只能在近距离检测到的临时身份验证信号。
“这确保了只有附近经授权的设备才能访问植入设备，”Yang说。“在紧急情况下，植入设备通过响应者或医生绘制的模式来验证其身份，并授予其访问权限，即使没有互联网连接。”
通过利用无线能量传输系统的内在特性，Yang及其团队开发的解决方案避免了其他植入技术安全措施的缺点，例如增加笨重的传感器。
研究人员用志愿者测试了模式输入方法，发现其正确识别模式的准确率达到98.72%，证明他们的解决方案既可靠又易于使用。该团队还开发了一种快速、低功耗的方法，使植入设备能够安全有效地向外发送数据。
“据我们所知，我们是首个利用无线能量传输的自然缺陷向植入设备发送安全信息，并在微型植入设备中实现安全双因素身份验证的团队，”Yang说。“与其他医疗设备相比，我们的设计在安全性、效率和可靠性之间提供了最佳平衡。”
对于患者而言，这可能意味着一个未来：他们的医疗植入设备既安全，又在最关键的时刻可访问，提供了一种简单、直观的方式来确保只有正确的人——无论是医生、护理人员还是紧急响应人员——才能控制他们体内的技术。
Yang及其团队在旧金山举行的国际固态电路会议上展示了他们的工作。在该会议上，Yang被授予IEEE固态电路学会新前沿奖，该奖项旨在表彰“探索创新和前瞻性技术工作”的早期职业研究人员。今年，Yang的团队是该大学在会议上展示成果并因其成就获得认可的更多教师和学生代表的一部分。
这项工作得到了国家科学基金会的支持。
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