Умные биоэлектронные имплантаты обещают произвести революцию в здравоохранении, предоставив врачам удаленный доступ для мониторинга и корректировки методов лечения. Но по мере того, как эти устройства становятся более совершенными, они также становятся более уязвимыми. Точно так же, как смартфоны и банковские счета, медицинские имплантаты могут стать мишенью киберпреступников. И когда это произойдет, последствия могут быть опасными для жизни.

В Университете Райса инженер-электрик и компьютерщик Кайюань Ян работает над тем, чтобы опередить эти угрозы, разрабатывая устойчивые к хакерским атакам имплантаты, которые защищают пациентов от темной стороны медицинских инноваций.

"По мере развития биомедицинских технологий вопросы безопасности становятся все более важными", - сказал инженер Университета Райса Кайюань Ян, который руководит лабораторией безопасных и интеллектуальных микросистем (SIMS). "Представьте себе крошечный медицинский имплантат без батареек - размером не больше рисового зернышка - способный лечить болезни без серьезных хирургических вмешательств или медикаментозного лечения.

"Такие имплантаты, работающие по беспроводной сети и подключенные к Интернету через носимый концентратор, могли бы иметь огромное значение для автономии и качества жизни людей, живущих, например, с хроническими заболеваниями, такими как эпилепсия или депрессия, устойчивая к лечению", - сказал Янг, доцент кафедры электротехники и вычислительной техники в Rice.

Передовая технология беспроводной имплантации могла бы позволить врачам контролировать состояние здоровья пациентов и корректировать лечение удаленно, что сделало бы ненужным тестирование и лечение на месте. Но Янг предупреждает, что с этим потенциалом связан серьезный риск: хакеры могут перехватывать сообщения, красть пароли или отправлять поддельные команды, угрожая безопасности пациентов.

В недавней работе, представленной на Международной конференции по твердотельным схемам (ISSCC) - флагманской конференции Института инженеров электротехники и электроники (IEEE), Янг и его команда представили первый в своем роде протокол аутентификации для беспроводных ультраминиатюрных имплантатов без батареи, который гарантирует, что эти устройства остаются в рабочем состоянии. защищен, но в то же время обеспечивает аварийный доступ. Известный как magnetoelectric datagram transport layer security, или ME-DTLS, протокол использует особенность беспроводной передачи энергии - технологию, которая позволяет медицинским имплантатам получать внешнее питание без использования батареи. Обычно, когда внешний источник питания - или, в данном случае, внешняя втулка, которую носит пациент, - слегка смещается в сторону, количество энергии, получаемой имплантатом, колеблется.

"Боковое движение или перемещение из стороны в сторону приводит к рассогласованию сигналов, что обычно считается недостатком в этих системах, но мы превратили это в функцию безопасности, передавая двоичные значения конкретным движениям с полной осведомленностью пациента", - сказал Янг.

Например, кодируя короткие перемещения как "1", а более длинные - как "0", протокол позволяет пользователям вводить шаблон безопасного доступа, просто перемещая внешний концентратор определенным образом. Этот ввод на основе шаблона действует как второй фактор аутентификации, во многом похожий на ввод PIN-кода после использования пароля или рисование шаблона для разблокировки телефона. Общий пользовательский интерфейс с двухфакторной аутентификацией ME-DTLS очень напоминает процесс входа в банковские учетные записи сегодня. Пользователи вводят свои учетные данные для входа, ожидают SMS-сообщения с временным кодом доступа, затем вводят этот код для входа в систему.

Это нововведение решает две основные проблемы в области медицинской кибербезопасности. Во-первых, он защищает от кражи паролей, требуя физического подтверждения, которое невозможно подделать удаленно. Во-вторых, это гарантирует, что сотрудники служб экстренного реагирования смогут получить доступ к устройству без необходимости предварительного предоставления учетных данных. Таким образом, если пациент находится без сознания или не может ввести пароль, имплантат передает временный сигнал аутентификации, который может быть обнаружен только с близкого расстояния.

"Это гарантирует, что только находящееся поблизости авторизованное устройство сможет получить доступ к имплантату", - сказал Янг. "В экстренных случаях имплантат проверяет ответчика или врача по нарисованному ими шаблону и предоставляет им доступ, даже если нет подключения к Интернету".

Используя неотъемлемую особенность беспроводных систем передачи энергии, решение, разработанное Янгом и его командой, позволяет избежать недостатков других мер безопасности для имплантируемых технологий, таких как добавление громоздких датчиков.

Исследователи протестировали метод ввода шаблонов на добровольцах и обнаружили, что он правильно распознает шаблоны в 98,72% случаев, доказывая, что их решение является надежным и простым в использовании. Команда также разработала быстрый и маломощный метод, позволяющий имплантату безопасно и эффективно отправлять данные обратно.

"Насколько нам известно, мы первые, кто использует естественный недостаток беспроводной передачи энергии для отправки защищенной информации на имплантат и обеспечения безопасной двухфакторной аутентификации в миниатюрных имплантатах", - сказал Янг. "По сравнению с другими медицинскими устройствами наша конструкция обеспечивает наилучший баланс между безопасностью, эффективностью и надежностью".

Для пациентов это может означать будущее, в котором их медицинские имплантаты будут одновременно безопасны и доступны, когда это наиболее важно, предлагая простой, интуитивно понятный способ гарантировать, что только нужные люди - будь то врач, сиделка или сотрудник службы экстренного реагирования - смогут управлять технологией внутри их тел.

Янг и его команда представили свою работу на ISSCC, проходившей 16-20 февраля в Сан-Франциско. На конференции Янг был удостоен премии IEEE Solid-State Circuits Society New Frontier Award, которая присуждается начинающим исследователям, "исследующим инновационную и дальновидную техническую работу", согласно веб-сайту IEEE. В этом году команда Янга была частью более многочисленного контингента преподавателей и студентов Rice, которые выступили на конференции и были признаны за свои достижения.

Работа была поддержана Национальным научным фондом (2146476).