私密的體域網：讓植入式醫療設備更安全！

導讀

近日，美國普渡大學的工程師們通過一項技術讓通信信號保持在人體內，進一步加強了聯網的植入式醫療設備的安全性。

背景

時下，物聯網的發展為人們生活帶來諸多便利，可隨之而來的安全性問題與威脅也不斷增多。舉例來說，如果一輛行駛中的汽車被黑客控制，那麼駕駛員將會失去控制權；如果智能門鎖受到黑客入侵，那麼小偷就可以輕鬆地破門而入；如果家中的網路攝像頭遭受黑客攻擊，那麼家中的隱私就會暴露無餘。

近年來，新一代的植入式醫療電子設備逐漸取代傳統攜帶型醫療器械，成為全球醫療研發的熱點。相比於傳統攜帶型醫療電子設備，植入式醫療設備更方便、快捷、準確、便宜。這些植入式醫療設備包括心臟起搏器、胰島素泵、神經刺激器等。它們具有數據採集、無線連接、遠程監控、近場通信等功能，不僅可以監測各種人體健康指標，還可以治療疾病和修復人體機能。

（圖片來源：Islam Mosa/康涅狄格大學、Maher El-Kady/加州大學洛杉磯分校）

（圖片來源：Rikky Muller, 加州大學伯克利分校）

可是，如果植入式醫療設備遭受黑客攻擊，那麼病人的生命安全將面臨直接威脅。例如，攻擊者可通過遠程安裝惡意軟體的方式控制心臟起搏器，使之對心臟產生致命打擊，或者需要挽救病人生命時卻拒絕工作。假如攻擊者侵入的是糖尿病患者的胰島素泵，那麼他就可以遠程控制藥物劑量，使之變為致命的劑量。

黑客（圖片來源：普渡大學）

然而，這種攻擊的重要手段之一，就是攔截和分析醫療植入式設備與外界通信的無線電信號。

創新

近日，美國普渡大學的工程師們通過一項技術讓通信信號保持在人體內，進一步加強了聯網的植入式醫療設備的安全性。這種私密的通信網路僅能被你自己和你的設備訪問，而其他人例如黑客非常難以攻破。

下圖所示：人體可以很好地攜帶信號，普渡大學新開發的技術能讓信號處於非常靠近人體的範圍之內。

（圖片來源：Erin Easterling/普渡大學）

這項研究發表在《科學報告（Scientific Reports）》期刊上。論文作者包括普渡大學電子與計算機工程系助理教授 Shreyas Sen，以及他的學生 Debayan Das、Shovan Maity、Baibhab Chatterjee。

技術

為了更好地從技術角度來理解這項研究，我們首先來看一個新概念：「體域網（body area networks）」。體域網，是附著在人體身上的一種通信網路。它是以人體周圍的可穿戴設備例如智能手錶、智能手環、電子皮膚等，以及人體內部的植入式設備、可吞咽式設備等為對象的無線通信專用系統。體域網最新的國際標準是IEEE802.15.6標準。

體域網（圖片來源: 貝爾法斯特女王大學）

目前，無線體域網（WBAN）採用了傳統的窄帶通信技術例如藍牙技術在人體及其周圍傳播信號。這些電磁波至少可以在人體周圍10米半徑範圍內被檢測到。然而，這些無線電信號有可能會被黑客通過技術竊聽到，從而威脅設備安全。

普渡大學的科研團隊採用的是一種稱為「電准靜態場人體通信（EQS-HBC）」的方法，通過採用低頻率無載波（寬頻）傳輸的方法，將信號限制在人體之內，使得鄰近的竊聽者很難截獲關鍵的隱私數據，形成一種私密的通信信道，也就是人體。

如下圖所示：兩個人佩戴著發射器（起搏器）以及隨身的集線器分別採用EQS-HBC（左）和WBAN（右）進行通信。對於體內的EQS-HBC方式來說，信號會通過位於由通信模塊、處理模塊、存儲器和電源組成的發射器下方的銅電極帶介面，耦合到人體表面。發射的信號流過人體皮膚下方的低電阻層，被接收器的電極獲取到。從另一方面說，WBAN 則採用天線將電磁波地傳輸至更遠的距離，然而卻有可能被附近的竊聽者獲取到。EQS-HBC 方案的私密空間是人體附近0.15米的範圍，而WBAN的私密空間範圍是5米左右。

（圖片來源: 參考資料【2】）

價值

未來，體域網面臨的挑戰不僅在於安全性，也在於更高的帶寬以及更低的功耗。普渡大學開發的這種新技術，不僅使得通信信號處於人體之內，並只會在人體表面很近的區域產生泄露，也使得功耗低於傳統藍牙通信的百分之一。這是一種安全又節能的通信方式。

未來，它將為醫生重新設計植入式醫療設備、可穿戴設備提供一種新思路。研究人員稱，這是他們第一次從物理層面去理解人體通信的安全特性，它將有望帶來私密的體域網，從而阻止黑客窺探重要信息。

關鍵字

安全、物聯網、可穿戴設備、植入式設備、黑客

參考資料

【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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