遠(yuǎn)程醫(yī)療和移動(dòng)健康中信息安全傳輸?shù)牡湫图軜?gòu)

遠(yuǎn)程醫(yī)療和移動(dòng)健康中信息安全傳輸?shù)牡湫图軜?gòu)

0遠(yuǎn)程醫(yī)療和移動(dòng)健康據(jù)預(yù)計(jì)，世界65歲的老人人數(shù)超過(guò)71億人。全世界范圍內(nèi)的人口老齡化使得越來(lái)越多的老年人被各種各樣的慢性疾病困擾并影響他們的健康,而更為嚴(yán)重的問(wèn)題是各種慢性疾病正成為死亡的頭號(hào)殺手,到2020年,慢性病致死的人數(shù)將占總死亡人數(shù)的75%。已經(jīng)有研究表明,諸如心血管疾病,高血壓,糖尿病等慢性疾病不再是老年人的專(zhuān)利,而是正逐步向中青年人群蔓延。這些患有慢性病的老年人和中青年人需要被全天候不間斷的實(shí)時(shí)監(jiān)控,以便讓醫(yī)護(hù)人員及時(shí)了解他們的身體健康信息和健康狀況,從而在臨床上做到早發(fā)現(xiàn),早診斷,早治療。而隨著計(jì)算機(jī),網(wǎng)絡(luò),數(shù)字醫(yī)療設(shè)備的發(fā)展和普及,生物傳感器處理信息的速度越來(lái)越快,體積越來(lái)越小,可穿戴式醫(yī)療設(shè)備的功能越來(lái)越強(qiáng)大,使用生物傳感器和可穿戴式醫(yī)療設(shè)備組成的軀感網(wǎng)可以實(shí)時(shí)收集被監(jiān)控人的健康信息并通過(guò)無(wú)線通信設(shè)備將其傳輸至醫(yī)院或社區(qū)醫(yī)療中心的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器,從而方便醫(yī)護(hù)人員及時(shí)迅速的讀取這些信息并采取相應(yīng)的措施和行動(dòng)。基于軀感網(wǎng)(bodysensornetwork,BSN)的遠(yuǎn)程醫(yī)療和移動(dòng)健康系統(tǒng)在提高健康服務(wù)的質(zhì)量方面有極大的潛力,將會(huì)被廣泛應(yīng)用于各種健康監(jiān)護(hù)。盡管許多國(guó)家的法律或規(guī)定已經(jīng)要求保護(hù)基于軀感網(wǎng)的遠(yuǎn)程醫(yī)療和移動(dòng)健康中健康信息在傳輸過(guò)程中的安全,比如:在美國(guó),保護(hù)健康信息是由《健康保險(xiǎn)攜帶和責(zé)任法案》規(guī)定的,而歐盟和我國(guó)亦有類(lèi)似的法律或規(guī)定。然而,如何保護(hù)基于軀感網(wǎng)的遠(yuǎn)程醫(yī)療和移動(dòng)健康中健康信息的安全這一難題,尚未被有效解決。(1)遠(yuǎn)程醫(yī)療遠(yuǎn)程醫(yī)療這一概念已經(jīng)有比較久遠(yuǎn)的歷史,是上世紀(jì)70年代提出的,它可被定義為使用各種遠(yuǎn)程通信的方式由醫(yī)生或醫(yī)療機(jī)構(gòu)向病人提供健康護(hù)理和醫(yī)療信息。而隨著技術(shù)的發(fā)展,除了護(hù)理和信息提供以外,遠(yuǎn)程醫(yī)療還可以用于急救,保健,遠(yuǎn)距離健康教育等等。遠(yuǎn)程醫(yī)療的普及將會(huì)有利于改善醫(yī)療服務(wù),提高醫(yī)療的效率和質(zhì)量等。在本文中遠(yuǎn)程醫(yī)療特指被監(jiān)控人物理位置基本不變或在極有限范圍內(nèi)變動(dòng)。(2)移動(dòng)健康和遠(yuǎn)程醫(yī)療比較起來(lái),移動(dòng)健康是一個(gè)相對(duì)較新的概念,它可以被認(rèn)為是遠(yuǎn)程醫(yī)療在無(wú)線通信技術(shù)的廣泛應(yīng)用之后與之相結(jié)合產(chǎn)生的另一種健康監(jiān)控形式。從某種程度上說(shuō),移動(dòng)健康也是遠(yuǎn)程醫(yī)療的一個(gè)分支,而其最大特色是被監(jiān)控人只受通信范圍的限制,而不受物理位置的限制。從理論上來(lái)說(shuō),只要被監(jiān)控人持有具有一定處理能力的可移動(dòng)的無(wú)線通信終端并處于通信范圍內(nèi),就可以享受移動(dòng)健康服務(wù)。移動(dòng)健康的出現(xiàn)使傳統(tǒng)的有線遠(yuǎn)程醫(yī)療向無(wú)線移動(dòng)健康服務(wù)轉(zhuǎn)變,尤其是手機(jī),個(gè)人數(shù)字助理等易于攜帶的,具有一定數(shù)據(jù)處理能力的無(wú)線通信終端設(shè)備的大量應(yīng)用,使得移動(dòng)健康的廣泛應(yīng)用成為可能。鑒于最近5年手機(jī)的迅速普及,尤其是處理能力更為強(qiáng)大的智能手機(jī)的出現(xiàn)并正在普及,我們有理由相信移動(dòng)健康在未來(lái)10年會(huì)被極大的推動(dòng),最終使健康監(jiān)控可以隨時(shí)隨地的任意進(jìn)行。1高級(jí)加密平臺(tái)已經(jīng)有研究人員對(duì)基于軀感網(wǎng)的遠(yuǎn)程醫(yī)療和移動(dòng)健康展開(kāi)了相應(yīng)的研究。比如使用偽隨機(jī)數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生偽隨機(jī)數(shù)對(duì)信息進(jìn)行加密來(lái)保證軀感網(wǎng)信息向存儲(chǔ)服務(wù)器傳輸時(shí)的安全和基于高級(jí)加密標(biāo)準(zhǔn)對(duì)軀感網(wǎng)傳輸?shù)慕】敌畔⑦M(jìn)行加密的平臺(tái),此平臺(tái)用于將加密的健康信息傳輸?shù)竭h(yuǎn)程數(shù)據(jù)庫(kù)中。文獻(xiàn)提出一種基于生理特征的方法用于基于軀感網(wǎng)的遠(yuǎn)程醫(yī)療的安全,在實(shí)驗(yàn)中使用12個(gè)測(cè)試對(duì)象的光電容積脈搏波產(chǎn)生128位密鑰,并對(duì)密鑰的隨機(jī)性和抗攻擊性進(jìn)行分析,結(jié)果表明這些密鑰可用于遠(yuǎn)程醫(yī)療的安全。2健康信息的傳輸根據(jù)文獻(xiàn)中所述的4層PHCH系統(tǒng)以及我國(guó)當(dāng)前醫(yī)療行業(yè)的現(xiàn)狀,我們?cè)诒疚闹刑岢鲆环N3層的用于遠(yuǎn)程醫(yī)療和移動(dòng)健康的健康信息傳輸架構(gòu),如圖1所示。第一層為軀感網(wǎng),按照絕大部分文獻(xiàn)對(duì)軀感網(wǎng)的定義,只是把體表或體內(nèi)傳感器和醫(yī)療設(shè)備組成的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)稱(chēng)為軀感網(wǎng),但在本文中,我們將傳感器和醫(yī)療設(shè)備以及為其處理和轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)的處理及通信設(shè)備也納入軀感網(wǎng)的范疇。如圖1所示,傳輸架構(gòu)的第一層由體表和體內(nèi)的傳感器結(jié)點(diǎn)和醫(yī)療設(shè)備及相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理和轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備組成。這些傳感器用于實(shí)時(shí)采集各種健康信息,如:血壓,心率,心電圖,光電容積脈搏波,運(yùn)動(dòng)信息等,這些信息由各種終端設(shè)備處理之后轉(zhuǎn)發(fā)到第二層。第二層為社區(qū)醫(yī)療中心或醫(yī)院的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器,這些服務(wù)器主要用于數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)。第三層是醫(yī)護(hù)人員或與被監(jiān)控人及與其有關(guān)系的用戶(hù)利用各種終端訪問(wèn)第二層數(shù)據(jù)庫(kù)中的健康信息。遠(yuǎn)程醫(yī)療和移動(dòng)健康的區(qū)別表現(xiàn)為處理設(shè)備的移動(dòng)性和傳輸介質(zhì)的不同。在傳統(tǒng)遠(yuǎn)程醫(yī)療的應(yīng)用中,由于沒(méi)有任何可移動(dòng)的處理設(shè)備,因此在第一層中采集的健康信息通過(guò)某些方式傳輸?shù)竭M(jìn)行數(shù)據(jù)處理和轉(zhuǎn)發(fā)的臺(tái)式機(jī)上,然后再通過(guò)有線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)降诙舆h(yuǎn)程數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器上,在第三層使用臺(tái)式機(jī)對(duì)第二層的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器中健康信息進(jìn)行訪問(wèn);而在移動(dòng)健康中這些健康信息在第一層主要使用能夠支持移動(dòng)通信的設(shè)備進(jìn)行健康信息的處理和轉(zhuǎn)發(fā),并通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)狡胀ㄊ謾C(jī),智能手機(jī)和個(gè)人數(shù)字助理中。再由這些支持移動(dòng)通信的設(shè)備借助于無(wú)線通信的方式將健康信息通過(guò)有線或無(wú)線的傳輸方式轉(zhuǎn)發(fā)到第二層的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器中;在第三層無(wú)論是醫(yī)護(hù)人員還是終端用戶(hù)都可以通過(guò)無(wú)線設(shè)備對(duì)第二層遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器中的健康信息進(jìn)行訪問(wèn)。在實(shí)際應(yīng)用的系統(tǒng)中,還有可能使用局域網(wǎng),廣域網(wǎng),無(wú)線個(gè)人域網(wǎng)或無(wú)線局域網(wǎng)以及訪問(wèn)接入點(diǎn)等方式在第一層和第二層及第二層和第三層之間進(jìn)行健康信息的傳輸。3認(rèn)證、不可抵賴(lài)和完整性控制健康信息在傳輸過(guò)中至少需要滿(mǎn)足保密、授權(quán)、認(rèn)證、不可抵賴(lài)和完整性控制5個(gè)方面的安全需求。本文中我們將重點(diǎn)介紹健康信息的保密、認(rèn)證、完整性控制和不可抵賴(lài)在每一層的具體實(shí)現(xiàn)。3.1用于健康信息接收方的證據(jù)為了敘述方便,我們將軀感網(wǎng)中的生物傳感器及醫(yī)療設(shè)備簡(jiǎn)稱(chēng)為結(jié)點(diǎn),同時(shí)我們將第一層軀感網(wǎng)內(nèi)的保密,認(rèn)證和完整性控制分為結(jié)點(diǎn)間和結(jié)點(diǎn)與處理及轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備間兩部分。(1)結(jié)點(diǎn)間如圖2所示,軀感網(wǎng)內(nèi)發(fā)送結(jié)點(diǎn)利用采集的生理特征生成密鑰,用于身份認(rèn)證、不可抵賴(lài)、加密和解密?？紤]到軀感網(wǎng)內(nèi)結(jié)點(diǎn)的資源極為有限,我們?cè)诖藢硬徊捎孟⒄惴?MD5)來(lái)計(jì)算待發(fā)送的健康信息的摘要,而是計(jì)算待發(fā)送健康信息的單向哈希值用于健康信息接收方驗(yàn)證健康信息在傳輸過(guò)程中是否被修改。最后結(jié)點(diǎn)將健康信息及其哈希值和認(rèn)證信息加密,準(zhǔn)備發(fā)送。在發(fā)送結(jié)點(diǎn)將信息傳輸給接收方之前,是需要先進(jìn)行身份認(rèn)證的,但由于篇幅的限制我們?cè)趫D2中未畫(huà)出。我們?cè)趥鬏數(shù)男畔⒅屑尤胝J(rèn)證信息則是用于不可抵賴(lài),并不是用于通信前雙方的認(rèn)證,后續(xù)兩節(jié)亦然。(2)結(jié)點(diǎn)與處理及轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備間因?yàn)樘幚砑稗D(zhuǎn)發(fā)設(shè)備和結(jié)點(diǎn)相比,資源的限制相對(duì)較少。因此在結(jié)點(diǎn)與處理及轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備間的通信過(guò)程中,密鑰由處理與轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備生成,這一點(diǎn)與結(jié)點(diǎn)間通信時(shí)不同。如圖3所示,處理及轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備收到傳感器結(jié)點(diǎn)傳輸用于產(chǎn)生密鑰的生理特征之后,產(chǎn)生相應(yīng)的密鑰并分發(fā)給傳感器結(jié)點(diǎn)。傳感器結(jié)點(diǎn)將使用這些密鑰對(duì)信息進(jìn)行認(rèn)證操作,并計(jì)算單向哈希值,最后將原始信息,認(rèn)證信息和哈希值加密后傳給處理及轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備。3.2對(duì)稱(chēng)式密鑰完整性驗(yàn)證從第一層的軀感網(wǎng)到第二層的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器之間傳輸實(shí)際上是由第一層中的處理及轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備和第二層的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器來(lái)協(xié)同工作完成的。如圖4所示,為了方便對(duì)稱(chēng)式密鑰的分發(fā),在通信前,需要事先為軀感網(wǎng)和遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器生成非稱(chēng)式密鑰,用于稍后的對(duì)稱(chēng)式密鑰的分發(fā),而在這一通信過(guò)程中對(duì)稱(chēng)式密鑰是由遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器產(chǎn)生的。對(duì)于健康信息的完整性控制,根據(jù)處理和轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備的處理能力及內(nèi)存大小等資源情況,可以選擇使用計(jì)算哈希值或是摘要值來(lái)驗(yàn)證其完整性。然后再將健康信息,哈希值或摘要值及認(rèn)證信息進(jìn)行加密,并發(fā)送給遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器。3.3健康信息的獲取對(duì)于第二層與第三層之間的安全,即遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器與醫(yī)護(hù)人員及普通用戶(hù)間的保密、認(rèn)證、完整性控制和不可抵賴(lài),具體實(shí)現(xiàn)時(shí)如下圖5所示。首先由醫(yī)護(hù)人員或終端用戶(hù)向遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器發(fā)出健康信息的請(qǐng)求,服務(wù)器收到此請(qǐng)求后則利用生理特征產(chǎn)生認(rèn)證和加密及解密的對(duì)稱(chēng)式密鑰。與第二層的方式一樣,仍使用預(yù)先設(shè)定的非對(duì)稱(chēng)式密鑰來(lái)為醫(yī)護(hù)人員或普通用戶(hù)分發(fā)對(duì)稱(chēng)式密鑰。遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器計(jì)算需要傳輸?shù)慕】敌畔⒌恼?加入認(rèn)證信息并加密,最后傳輸給請(qǐng)求此信息的醫(yī)護(hù)人員或普通用戶(hù)。4心電圖數(shù)據(jù)的采集在實(shí)現(xiàn)我們提出的安全方案時(shí),我們使用由軀感網(wǎng)采集的心電圖來(lái)產(chǎn)生密鑰用于健康信息的加密及解密、認(rèn)證和不可抵賴(lài)操作,并使用單向哈希值和消息摘要來(lái)驗(yàn)證健康信息的完整性。為了測(cè)試密鑰的性能,我們使用了20個(gè)測(cè)試對(duì)象的心電圖作為原始數(shù)據(jù)。這些心電圖的采樣頻率為1000Hz,采樣時(shí)間為5分鐘。測(cè)試對(duì)象的平均年齡為25.6歲,年齡的波動(dòng)范圍為1.4歲,心電圖數(shù)據(jù)被采集時(shí)要求測(cè)試對(duì)象安靜的坐著。我們對(duì)這20個(gè)心電圖計(jì)算心脈搏間隔,然后使用前32個(gè)心脈搏間隔產(chǎn)生128位的密鑰。在具體實(shí)現(xiàn)時(shí)我們使用了一種與文獻(xiàn)中完全不一樣的編碼方法用心脈搏間隔產(chǎn)生20個(gè)128位的密鑰。圖6為這20個(gè)128位密鑰熵的分布情況,熵的變化范圍從0.9786到1。為了進(jìn)一步驗(yàn)證這些128位密鑰的性能,我們使用了由美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究所建議的密鑰隨機(jī)性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)中的適合測(cè)試128位密鑰隨機(jī)性的其中五項(xiàng)測(cè)試來(lái)評(píng)價(jià)這些密鑰的性能,測(cè)試結(jié)果如圖7所示。5動(dòng)態(tài)生物特征的密鑰生成在本文中,我們介紹了一種基于動(dòng)態(tài)生物特征的保護(hù)遠(yuǎn)程醫(yī)療和移動(dòng)健康中健康信息傳輸時(shí)安全的信息安全傳輸方案。首先,我們提出了一個(gè)典型的遠(yuǎn)程醫(yī)療和移動(dòng)健康傳輸模型,然后基于此模型詳細(xì)介紹了如何實(shí)現(xiàn)健康信息傳輸時(shí)的保密、認(rèn)證、完整性控制和不可抵賴(lài)的安全方案。在實(shí)驗(yàn)中,我們使用了心電圖這一