基于物联网的安全医疗保健：挑战与解决方案

### 基于物联网的安全医疗保健：挑战与解决方案 #### 1. 引言 在许多国家，大部分人口居住在乡村地区，但遗憾的是，绝大多数乡村的医疗设施并不充足。那里既没有配备完善的医院或医疗中心，也缺乏合格的医生。乡村居民因此成为最需要医疗关注的群体。不过，乡村在电信基础设施建设和电力连接方面取得了一些进展，现在即使是偏远乡村也能接入互联网。这种快速发展的电信基础设施和互联网接入或许能帮助乡村居民克服医疗设施不足带来的不便。 如今，基于物联网的云辅助医疗保健系统因能实现实时远程健康数据监测而广受欢迎。它是一个由人体上各种可穿戴传感器组成的网络，也被称为移动身体传感器网络（MBSN）。附着在人体上的生物传感器用于收集各种生理变化，以监测患者的健康状况，并将这些信息传输到一个汇聚设备。该设备会立即将健康数据传输到基于云的医疗服务器进行存储和处理。医生和其他医疗人员可以访问这个云医疗服务器，实时查看患者的健康参数。 然而，由于健康信息是通过不安全的通道传输的，数据的安全性和隐私性受到威胁。攻击者可能会实施各种安全攻击，如中间人攻击、重放攻击、假冒攻击、修改攻击等，以获取患者的私人信息或在传输过程中篡改信息。此外，云医疗服务器还可能遭受内部攻击，导致存储的信息被泄露。因此，需要采取纠正措施来确保数据在传输和存储过程中的安全。正确使用诸如机密性、完整性和认证等安全要求非常重要，入侵检测系统（IDS）也有助于应对内部攻击。 #### 2. 传统与现代架构 一个端到端的基于物联网的医疗监测系统分为三层，具体如下： - **第一层（Tier - I）**：这是MBSN通信的第一层，数据在人体内部传输。传感器节点直接接触人体进行感应，这些小型传感器设备可以检测患者身体的各种生理参数，如体温、心电图、脉搏率、脑电图等，并通过有线或无线方式将其传输到作为本地协调设备的特殊传感器节点，即“汇聚节点”。 - **第二层（Tier - II）**：这是MBSN的中间层，负责“汇聚节点”与“接入点（AP）”之间的通信。AP是患者体外的网关设备，汇聚节点与AP之间通过互联网或其他网络进行通信，这些网络可以是基于基础设施的，也可以是自组织网络。 - **第三层（Tier - III）**：这是MBSN通信的最后一部分，所有信息通过AP路由传输到基于云的医疗服务器。只有授权人员才能访问该服务器，服务器中的数据会定期检查，以监测患者的健康状况。如有需要，会自动向患者家属发送通知，患者和医生还可以通过视频会议和互联网进行沟通。 随着机器学习/深度学习技术的快速发展，医疗保健在决策方面变得更加智能。通过传感器设备收集的健康数据可以在云平台上进行分析，以提取有意义的信息。在云平台上，基于机器学习的算法被用于执行各种任务，如疾病预防和风险监测、诊断和治疗以及健康管理。现代基于物联网的智能医疗保健架构分为四个部分：事物、网关、通信网络和云平台。网关也被称为雾节点，引入雾节点是为了根据传感器数据进行快速分析。例如，如果患者的血压超过阈值，应立即采取警报或纠正措施。由于将血压数据从患者传输到云平台进行处理和分析的延迟可能会对患者的生命造成严重影响，因此在边缘节点分析数据对患者的健康诊断有益。云基础设施可用于存储大量的健康数据，因为它由一组相互连接的服务器和存储设备组成。在这样的基础设施中，部署了基于机器学习或深度学习的模型来分析传感器数据，以提取用于决策的有用信息。 下面是传统架构的工作流程mermaid图： ```mermaid graph LR classDef process fill:#E5F6FF,stroke:#73A6FF,stroke-width:2px; A(传感器节点):::process -->|生理参数| B(汇聚节点):::process B -->|数据| C(接入点):::process C -->|数据| D(云医疗服务器):::process D -->|健康信息| E(医生/医疗人员):::process ``` #### 3. 安全威胁 基于物联网的医疗保健容易受到大量安全威胁和攻击。安全问题可分为系统安全和信息安全两类，也可分为被动攻击和主动攻击两类。安全攻击可能发生在MBSN通信架构的不同层，具体如下表所示： | 威胁类型 | MBSN层 | 描述 | | --- | --- | --- | | 数据修改 | 第二层、第三层 | 在数据从源传输到目的地的过程中，如果某个未经授权的实体插入新信息、修改或删除重要信息，可能会对患者的生命造成致命影响。这是对数据完整性的攻击，如果重要的健康信息在传输过程中被修改，医生将获得关于患者的错误信息，可能导致严重后果。 | | 未经授权的攻击 | 第一层 | 当攻击者控制医疗监测系统的传感器和其他节点，进而控制整个系统时，可能会发生这种攻击。黑客可以未经授权访问患者的敏感和重要信息。 | | 中断/网络干扰 | 第二层、第三层 | 这会导致医疗监测系统远程终端的某个组件被破坏，从而中断正常通信。在患者紧急情况下，可能会对患者的生命构成威胁。 | | 窃听 | 第二层、第三层 | 攻击者可以轻松从传感器节点之间的开放通信系统中窃取信息，窃取的信息可能被用于恶意活动。 |