[論文レビュー] A Reliable IoT-Based Embedded Health Care System for Diabetic Patients

Zeyad Al‐Odat, Sudarshan K. Srinivasan+2 more|arXiv (Cornell University)|Aug 16, 2019

IoT and Edge/Fog Computing参考文献 21被引用数 12

ひとこと要約

本論文は、Alaris 8100インシュリンポンプ、Keil LPC-1768マイコン、クラウド連携を用いた、糖尿病患者向けのIoTベースの埋め込み医療システムを提示する。SHA-256ハッシュ化とSSH暗号化を用いて信頼性を確保し、健康記録の処理速度が1ミリ秒未塔、稼働率99.3％を達成した。

ABSTRACT

This paper introduces a reliable health care system for diabetic patients based on the Internet of Things technology. A diabetic health care system with a hardware implementation is presented. The proposed work employs Alaris 8100 infusion pump, Keil LPC-1768 board, and IoT-cloud to monitor the diabetic patients. The security of diabetic data over the cloud and the communication channel between health care system components are considered as part of the main contributions of this work. Moreover, an easy way to control and monitor the diabetic insulin pump is implemented. The \mbox{patient extquotesingle s} records are stored in the cloud using the Keil board that is connected to the infusion pump. The reliability of the proposed scheme is accomplished by testing the system for five performance characteristics (availability, confidentiality, integrity, authentication, and authorization). The Kiel board is embedded with Ethernet port and Cortex-M3 micro-controller that controls the insulin infusion pump. The secure hash algorithm and secure socket shell are employed to achieve the reliability components of the proposed scheme. The results show that the proposed design is reliable, secure and authentic according to different test experiments and a case study of the Markov model. Moreover, a 99.3\% availability probability has been achieved after analyzing the case study.

研究の動機と目的

• 糖尿病患者向けに信頼性が高く、安全で、リアルタイム対応のIoTベースの医療システムを設計すること。
• クラウドに保存された糖尿病患者の健康記録における機密性、完全性、認証の重要なセキュリティ課題を解決すること。
• 強力なアクセス制御とデータ完全性を備えた、インシュリン注入ポンプのリモート監視および制御を可能にすること。
• マコフモデルとパフォーマンステストを用いて、稼働性、機密性、完全性、認証、承認の各特性を評価し、システムの信頼性を検証すること。
• 患者デバイス、クラウド、およびケアプロバイダー間で低遅延かつ安全なデータ送信を保証する、ハードウェア・ソフトウェアスタックを実装すること。

提案手法

• リアルタイムのデータ処理と通信を実現するため、Cortex-M3マイコンとイーサーネットインターフェースを備えたKeil LPC-1768ボードを採用する。
• 埋め込みシステムとAlaris 8100インシュリンポンプを統合し、自動インシュリン投与制御を実現する。
• メッセージの完全性とデータの真正性を保証するため、改ざん検出を可能にする暗号ハッシュ化によりSHA-256を採用する。
• システム部品とクラウド間の安全な通信チャネルを確保するため、SSH暗号化を適用する。
• 認証および承認メカニズムを用いてアクセス制御を実装し、認可されたエンティティ以外からのデータアクセスを制限する。
• マコフ連鎖モデルを用いてシステムの信頼性を分析し、実証データから導出された故障率および回復率を用いる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 IoTベースの埋め込みシステムは、糖尿病患者のモニタリングにおいて、どのようにして高い稼働率と信頼性を確保できるか？
• RQ2 SHA-256とSSH暗号化を併用することで、患者の健康記録の機密性、完全性、認証をどの程度まで保証できるか？
• RQ3 リアルタイムの健康記録処理におけるエンドツーエンドの処理遅延はどの程度か？
• RQ4 患者の安全を損なわず、インシュリン注入ポンプの安全なリモート制御をどのように維持できるか？
• RQ5 実際の運用条件下において、システムの故障またはダウンタイムの確率はどの程度か？

主な発見

• マコフモデル分析の結果、システムが正常稼働状態にとどまる確率は99.3％であった。
• 70件の糖尿病患者の健康記録サンプルの平均処理時間は5.8 × 10⁻⁴秒（0.58ミリ秒）であり、標準偏差が小さく、一貫性のある性能を示した。
• システムは、稼働性、機密性、完全性、認証、承認の5つの信頼性特性をすべて効果的に強制した。
• 実装においてSHA-256に対する成功したコリジョン攻撃は確認されず、強固なデータ完全性が裏付けられた。
• 通信にSSHを、ハッシュ化にSHA-256を用いることで、不正アクセスおよびデータ改ざんが効果的に防止された。
• 認証済みアクセスを備えた安全な方法でインシュリンポンプのリモート監視および制御が可能となり、患者ケアの効率が向上した。