[論文レビュー] IoT-Based Secure Embedded Scheme for Insulin Pump Data Acquisition and Monitoring

Zeyad Al‐Odat, Sudarshan K. Srinivasan+3 more|arXiv (Cornell University)|Dec 6, 2018

IoT and Edge/Fog Computing参考文献 9被引用数 12

ひとこと要約

この論文では、Keil LPC1768 マイコンを用いたIoTベースの埋め込みシステムを提案し、インスリンポンプのデータを安全に取得・監視する。データ整合性と真正性を保証するためにSHA-256ハッシュを適用し、クラウドと患者側の記録間のデータ一貫性を検証し、ハッシュ比較によって改ざんを検出する。また、インフレーションポンプへの安全なコマンド伝送を確保する。

ABSTRACT

This paper introduces an Internet of Things (IoT)-based data acquisition and monitoring scheme for insulin pumps. The proposed work employs embedded system hardware (Keil LPC1768-board) for data acquisition and monitoring. The hardware is used as an abstract layer between the insulin pump and the cloud. Diabetes data are secured before they are sent to the cloud for storage. Each patient's record is digitally signed using a secure hash algorithm mechanism. The proposed work will protect the patient's records from being breached from unauthorized entities, and authenticates them from improper modifications. The design is tested and verified using $μ$Vision studio, the Keil board mentioned above, and an ALARIS 8100 infusion pump. Moreover, a test case for a real cloud example is presented with the help of the Center of Computationally Assisted System and Technology. This center provided the infrastructure service to test our work.

研究の動機と目的

• インスリンポンプのデータ送信および保存におけるセキュリティ脆弱性を軽減するため、軽量でハードウェアベースの認証メカニズムを実装すること。
• クラウドベースの送信中に患者の健康記録が不正に変更されないよう、データの整合性を保証すること。
• インスリンポンプとクラウドの間の抽象化レイヤーとしての埋め込みシステムを用いて、糖尿病関連データのリアルタイムかつ安全な監視を可能にすること。
• 実環境のテスト環境において暗号ハッシュ検証を通じてデータ改ざんを検出できるかを検証すること。
• エンドツーエンドのセキュリティを維持したまま、将来的に患者がインスリン投与スケジュールを制御できるようにすること。

提案手法

• Keil LPC1768 マイコンが、Alaris 8100 インスリンポンプとクラウドの間の埋め込みハードウェア抽象化レイヤーとして機能する。
• 患者の健康データ（血糖値や医療プロファイルなど）は、送信前にSHA-256暗号ハッシュ関数を用いて安全に保証される。
• 各データレコードは、整合性検証用にSHA-256ハッシュ値でデジタル署名され、データパケットに付加される。
• 受信後、患者側のシステムは再びSHA-256ハッシュを計算し、送信されたハッシュと比較する。一致しない値は改ざんを示す。
• 病院からポンプに送信される制御コマンドについても、同様にSHA-256で署名され、マイコンが実行前に検証される。
• Cortex-M3プロセッサの故障例外ハンドリング機能を活用し、データ処理中のハードウェアレベルのエラーを検出し、対応する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 インスリンポンプとクラウドの間でデータ交換を安全に仲介しつつ、データ整合性を保てる埋め込みシステムはどのように実現できるか？
• RQ2 SHA-256ハッシュは、送信中に患者の健康記録が不正に変更された場合に、どの程度正確に検出できるか？
• RQ3 低消費電力マイコン（Keil LPC1768）は、リアルタイム医療IoT環境において暗号認証を効果的に実装できるか？
• RQ4 システムは、どのようにして認証済みかつ改ざんのない制御コマンドのみをインスリンポンプが実行できるように保証するか？
• RQ5 実際の医療機器を用いた実環境のテスト環境において、提案手法のデータ改ざん検出効果はどの程度のものか？

主な発見

• システムは、クラウドと患者側の両方でSHA-256ハッシュ値を比較することで、データ改ざんを正常に検出できた。一致しないハッシュ値はデータ改ざんを示した。
• 表Iでは、クラウドと患者側の両方で同一のSHA-256ハッシュ値（14b93acf-ccdcbe40-ea3795be-c1073498-51a96c90-6cedfc9c-49d8e2cf-a141befb）が得られ、データ整合性が確認された。
• 表IIでは、患者側で不一致のハッシュ値（358c4f29-f0e2bb60-8efa35d4-a88a6b3b-58939ffd-deebf824-8065c195-b834b8cd）が検出され、改ざんが行われたことが判明。システムは正しくその改ざんを検出し、データを破棄した。
• Keil LPC1768 マイコンは、再計算と比較によるSHA-256値の検証を通じて、制御コマンドの真正性を正常に検証し、正当なコマンドのみをインフレーションポンプに渡した。
• 24時間の血糖モニタリングから得た実際のデータを用いて、リアルタイムの整合性検証が成功した。一貫性があり、安全なデータ処理が保証された。
• 計算支援システムおよび技術センターとの統合により、検証済みのクラウドインfraを提供し、実環境に近い環境下で本手法の実現可能性を確認できた。