基于电耦合连续用户身份验证系统健康的交流

文摘

智能卫生(健康)是一个重要的话题,今天一个重要的研究领域,支持用户的实时监控的数据通过使用传感器,无论是直接或间接接触人体。实时监控促进医疗从被动到主动模式的变化,为早期发现、预防和长期健康状况的管理。在这些新条件下,连续用户身份验证中发挥着关键作用在保护数据和访问控制,一旦关注跟踪整个系统操作用户的身份。传统的用户认证系统不能满足安全需求的健康,因为它们是有限的,容易出现安全漏洞,并要求用户频繁进行身份验证,比如,一个密码或指纹。这个中断系统的正常使用,非常不方便,而不是用户友好。同时,在当前认证系统依赖于无线数据传输技术,在配对阶段容易被窃听。生物信号,例如,心电图(ECG)和脑电图(EEG),可以提供连续、无缝验证了从每个人独有的特点。然而,有必要重新设计现有的身份验证系统,包括生物识别特征和新的通信技术,可以共同保护数据并提供持续的验证。因此,本文提出了一种新颖的biosignal身份验证系统,在photoplethysmogram (PPG) biosignal和电耦合(GC)通道导致连续、无缝、安全的用户身份验证。此外,本文有助于明确组织状态的艺术biosignal-based连续用户身份验证系统,协助在这个领域的研究。 The evaluation of the system feasibility presents accuracy in keeping data integrity and up to 98.66% accuracy in the authentication process.

1。介绍

智能医疗(健康)应用程序有很大的潜在的积极影响许多人的日常生活,有助于早期发现、预防和长期健康状况的管理。健康监测是一个重要的主题,一个重要的研究领域由传感器在可穿戴设备要么是在直接接触人体(入侵)或间接(无损)。医疗正从反应积极的方法,推广主要是通过连续监测健康状况和数据分析技术应用于收集数据。监控系统允许个体密切监测生命体征的变化,实时提供反馈,这有助于维持最佳的健康状态。

数据隐私是健康的主要问题1),考虑到漏洞中发现可穿戴设备相关数据收集、资源约束,在通信技术和漏洞,如无线通信(2]。最近的袭击医疗服务提供者暴露越来越多的安全性和隐私漏洞,指出CynergisTek在其违反7日年度报告(3]。同时,全球监管机构,例如,美国食品和药物管理局(FDA),请求公共和私人公司开发高质量的、安全的医疗设备和应用程序(4)等行为健康保险流通与责任法案(HIPAA)。然而,保护数据隐私和访问在健康的环境中而不影响其可用性是一个具有挑战性的任务。

在这种情况下,用户身份验证系统是至关重要的授予数据访问授权的专业人员(5]。传统方法遵循一次性事件验证和用户有意参与该系统的需求,如扫描指纹或密码中关键的每一段(6]。然而,一次性的提供安全事件的身份验证解决方案持续一小段时间,恶意行为和倾向从用户需要定期关注和互动6]。同时,在当前认证系统依赖于无线数据传输技术。这些技术容易受到窃听在匹配阶段,需要设计一个独特的和安全的通信通道。

因此,健康应用程序的意义和挑战了探索新形式的人机交互和通信技术来设计连续和无缝的用户身份验证7]。文献凸显了一组复发性生物(如心电图(ECG)、脑电图(EEG)、皮肤电反应(GSR) [8])和实验沟通渠道(如电耦合(GC)) (9少)应用到连续认证和从用户交互。此外,微电子技术的进步和纳电子学的发展中起到了辅助作用不同类型的传感器,提供实时生命体征采集。因此,现在是时候重新思考当前认证系统包含新的生物特征和通信技术,可以保护数据并提供持续的验证。

本文介绍了Biosignal增强认证系统(打),一个基于photoplethysmogram原始连续认证系统(PPG)信号,通过一个安全的数据传输电耦合(GC)通道。GC通道处理的一个主要问题关于可穿戴设备之间的通信,一旦有各种各样的安全漏洞影响无线通信技术(10,11]。分biosignal是最容易收集的生物之一,成为受欢迎的商业可穿戴设备,例如健身追踪器。本文还填补了缺口概况和组织状态的艺术biosignal-based和连续用户身份验证系统。它造成实质性的和相关的整体视图对未来研究方向在这个至关重要的话题。系统的可行性评估通过一个原型使用分biosignal和人造皮肤作为传输介质。评价结果显示,系统在保护在传输过程中数据的完整性和准确性高达98.66%的真阳性的身份验证。

本文所得如下。部分2介绍了现有的文献综述biosignal-based连续的身份验证系统。部分3提议的细节PPG-based用户身份验证系统。部分4描述它的性能评价和结果。最后,部分5展示了未来的发展方向这一主题,对整篇文章进行总结。

2。相关的工作

本节提供了一个文献综述和分类的身份验证系统,采用生物。尽管不同的文学作品使用生物作为连续认证系统的用户凭证,他们没有被组织。从这项研究观察导致识别复发的特性,如在传感器的类型多样性;专注于一个身体的一部分biosignal的来源;从用户的需求或不特定的行动;探索了沟通渠道和异质性。在此基础上,数字1总结了这些作品的分类,以下四个主要类别:(i)传感器,(2)生物来源,从用户(iii)操作要求,(iv)沟通渠道。每个类别解释,提供概述现有的主要作品。

2.1。传感器

这一类强调连续用户身份验证系统中使用的传感器类型,专注于生物传感器,从用户那里收集生命体征,并依据不同的服务在健康的环境中。在生物传感器,通常应用在连续认证系统是机械、电气、光学、详细。连续的身份验证系统,如在12),依靠机械传感器,利用机械力或压力来确定肌肉收缩反应,按的按钮,或压力的脚步。基于偶尔或重复的运动,例如,手臂的姿势,走路,和腿部运动,系统可以识别模式,这是用来确认用户。

用户身份验证系统,如发现在13,14),采用电动生物传感器解释身体的电活动(例如,肌肉或心脏活动)期间获得生物,后来作为一个独特的特征来识别每一个注册用户。这些生物传感器需要直接接触(或电极的使用)的活动区域,允许信号采集。传感器可能需要或不使用导电凝胶点的接触。

光学传感器分析血管的扩张来计算用户的心率,以及其他功能。这些传感器对用户的皮肤发出光和测量光反射。光学传感器可以收集生物从心脏(分和心率)和肺(呼吸率)。例如,PPG biosignal连续认证作为唯一标识符(15- - - - - -17]。分生成一个脉冲波的几个特性估计,分析和提取。这些特性是排斥对于每一个人,使其可行的用于身份验证的目的。

几个连续的用户认证系统也依赖于多传感器,即。总的来说,设备携带多个不同类型的传感器。多传感器设备已成为流行的小型化和便宜。多个传感器在同一设备可以提供多种生物,提高效率的组合。例如,在[13]和[18),作者采用多传感器来对用户进行身份验证。

2.2。来源的生物

这一类观察连续认证系统的视角下biosignal来源。确定的文学作品通常收集生物从心脏、大脑、肺、肌肉运动和皮肤。的每个源生物导致特定的特点与优缺点,讨论下。

生物从心脏中最常用的连续的身份验证系统。分,心电图和血压心率变异生物提供信息。PPG信号取决于光学传感器收集;心电图信号电流传感器;和血压通常是测量类型的设备与机械传感器。基于心脏方面的生物认证系统可在文献中,如(14,15,19]。

脑波是起源于大脑的生物。研究表明其对用户进行身份验证的可行性,如在20.),但它需要重复思考用户创建一个模式,例如,考虑一个动作,一幅画或一个几何形状,甚至记住演讲。脑电图是最常见的biosignal从大脑;电极连接到传感器和放置在不同的地方的头收集信号。侵害的方法也可以像耳机和入耳式传感器。

呼吸速率是biosignal,一旦有可能创建一个呼吸模式,让biosignal收集通过麦克风或水平的氧饱和度测量通过PPG信号。这个速度是最常见的一种biosignal观察从肺部。在[21),作者提出了一个身份验证系统使用呼吸模式从一个麦克风记录的用户标识符。

在收缩时,肌肉产生小的电子信号。不断的信号测量和存储,协助提取作为用户标识符的一个模式。最常见的信号观察肌肉的肌电图(EMG)。肌肉会引发机械传感器,按一个按钮或激活足底生物特征识别的足底压力传感器。等工作(12,22,23提出了基于肌肉生物认证系统。

最后,可以测量不同皮肤属性和它们的值被认为是生物。例如,皮肤电活动(皮肤电反应)反映了电特性的变化在皮肤上反映其电导。突然改变皮肤的导电性显示压力、恐惧和惊讶等情感。每个用户的皮肤电反应是独特的和不断用来验证用户。在[18),作者使用皮肤电反应的可行性评估biosignal对用户进行身份验证。

2.3。从用户的行为

连续开发身份验证机制进行身份验证一个合法的所有者在整个会话(24]。现有系统收集biosignal有或没有从用户具体行动的必要性。最近连续认证系统无缝地寻求执行身份验证,即。,较低的用户与系统的交互或任何用户交互。然而,实现无缝的在这种情况下仍然是一个相关的挑战。在连续的身份验证系统,不需要用户操作、传感器不断地从用户那里收集生物,没有具体行动,比如,一个smartwatch收集biosignal不断(15]。

有身份验证系统要求时间内从用户交互。交互的例子有触摸设备收集biosignal [14),一个特定的手势(23,走12),或思考之前定义的主题20.]。

接触需要在不同的系统中,如(14,25]。例如,ECG-capable smartwatches需要身体的两边信号对一个用户进行身份验证。因此,如果用户戴右边smartwatch手腕,他/她将需要与左手碰它生成认证信号。同样,手势和思维产生肌电图和欧共体信号,分别。首先是收集通过肌肉收缩,而第二个需要用户去思考的东西(形状、颜色、演讲、等等)来生成一个模式,然后用于身份验证。

2.4。沟通渠道

大多数biosignal-based身份验证机制使用无线射频传输通信信道。然而,主要通信技术如蓝牙,无线个域网,NFC提出了安全漏洞(10]。电耦合(GC)方法是一种很有前途的人体通信通道,让皮肤和组织为导体。最近,我们观察到的数量的增加使用GC工作作为通信信道,如在9]。利用人体皮肤作为传播媒介追求安全的数据传输,一旦信号拦截不可能没有皮肤接触。

3所示。击败认证系统

本节的礼物,一个新的biosignal-based和连续用户身份验证系统能够达到无缝和安全认证。基于分生物击败一个用户进行身份验证,不断收集这些传感器的可穿戴传感器和通过GC协调器设备,用户需要访问的地方。打在健康行为的概念,考虑星形网络拓扑结构由一个协调器(如智能手机)作为中央设备和可穿戴设备连接到它。网络协调器通常有更高的计算资源(能源、内存和处理能力)比其他可穿戴设备或人体上。此外,GC可以保护一个可穿戴设备之间的数据传输和网络协调器。

击败遵循三个步骤:(i)数据收集和预处理,(2)数据传输通过GC,和(3)身份验证过程,如图2。因此,图2(一)说明了网络协调员作为一个智能手机,但它可以是任何设备与用户直接接触的皮肤,能够作为通信网关之间的可穿戴的网络和其他网络,例如,无线局域网(WLAN)或互联网。这已经超出了本文的范围来处理网络协调器之间的通信和互联网;或第一和WLAN之间。

图2(一)也显示多个可穿戴设备放置在身体的不同部位,如头、眼睛、耳朵、服装、手腕和脚踝。可穿戴设备是一个自治的、非侵入性的设备,执行特定的功能与身体有关,例如,监视用户的生命体征。可穿戴设备是智能手机的例子,smartwatches,身体活动监测,智能运动鞋,和其他人。一个通用架构的可穿戴设备遵循模块:传感器、低功耗处理器和通信。数据收集后,可穿戴设备收集到的信号转换成原始数据。根据监控任务,可以使用不同类型的传感器。打是建立在光学传感器,例如smartwatches和身体活动监测,一旦这种类型的传感器受益于为用户方便和可用性。

3.1。数据采集和信号预处理

击败收集PPG信号,使独特的用户特征的观察和提取,高峰和低谷的数量、形状、峰值波振幅,高峰和低谷之间的距离,如图3。击败使用这些功能的组合,利用时频域,关联的整个收集的数据集由波段和改善用户认证的鲁棒性。不管提取的特征,高峰和低谷的识别是至关重要的,因为阈值验证限制基于峰重叠。

收集到的信号数据采集后,击败过滤器减少电磁干扰的噪音,光线过剩,和突然的用户动作。硬件过滤器是高效和快速提取特定的数据(例如,数据与心脏相关的变异或呼吸),但它们有限的灵活性,因为他们收集数据在一个特定的频率范围。同样,硬件过滤软件过滤器限制收集信号的振幅。虽然这些过滤器是低于硬件过滤器,他们更灵活的调整过滤频带。

在过滤技术,例子是频带分割和高通,低通,带通滤波器。对于一个给定的滤波器的选择取决于目标。同时,计算限制在可穿戴设备应考虑滤波器的选择,和有必要选择过滤器和较低的计算复杂度。因此,高通,低通,带通滤波器更可取,因为他们执行信号分割在几个乐队(多维);它们的配置允许截止频率和减少数量的操作,导致能源使用效率。

3.2。数据传输电耦合

击败采用GC显著减少易受攻击相比,传统的通信技术,如蓝牙、无线个域网等等。在GC,低压电脉冲进行编码和传输的数据发送通过人体皮肤,因此免疫攻击,窃听等。GC行为intracorporal沟通,它是IEEE 802.15.6标准的范围内。在intracorporal数据传输使用GC,微分电信号应用于两个电极在皮肤上传播。大部分的信号发送的电极对皮肤是分散的。然而,一个数量的信号是由皮肤和组织,到达接收器的两个电极接触。GC的微分信号的主要特征包括通过两个电极的模型发送数据。是相反的比例在每个电极,生物信号传输之前通过皮肤。接收设备计算两个接收信号之间的差异,获得原始信号。图4展示了GC。

信号功率的介质(绝缘)的强烈影响身体组织的属性。身体是媒介发送(Tx)和接收(Rx)数据,信号的调制和功率有关问题。调制反映GC电路的特点,强调健壮性和简单性。打败之前,脉冲宽度调制(PWM)消耗更少的能量和符合数字设备的开关特性。PWM代表数字数据通过载波包络变化振幅和周期。它估计数据通过削弱的存在与否及其持续时间的比例在每个开关状态。波在一个特定时期内的存在意味着二进制1,而其缺席一段意味着一个二进制0。

3.3。身份验证过程

身份验证过程(图2(c))发生在网络协调器。当协调员接收到预处理PPG信号,它分配一个函数来提取分波形的特征。身份验证过程处理波形在四个任务:峰值识别、分割、相关性和用户标识符的计算。第一个在于确定峰值沿整个长度的收集和预处理biosignal。这个任务是定义参考点的分割的基础阶段。识别山峰,击败采用特定的算法,如基于移动平均线或一组特性(例如,峰值和最低身高)阈值计算(26]。

第二个任务段的收集biosignal周期与波长有关。因此,每个周期确认,然后,所有检测周期重叠和对齐参考以前检测到的中心峰值。这允许我们做出所有段的相关性(第三个任务),并计算其平均值。这被称为平均用户标识符,其计算第四任务。因此,当用户标识符匹配系统中现有的参考模型,对用户进行身份验证。否则,它否认了用户对服务和数据访问。

身份验证过程依赖于以前的注册用户。注册过程进行离线,其任务是类似于身份验证的,但注册要求更高的数据量,考虑不同的用户位置和物理状态。用户注册开始数据采集,特征提取和信号分割。分段周期一致以峰值为参考。这允许在所有领域的相关性和他们的平均计算。相关定义了一个认证阈值(用户参考模型),由最小平均值计算为一个用户进行身份验证。在身份验证尝试时,参考模型相比,生成用户标识符验证后,如前所述。

图5总结了注册和认证程序。登记手续前进行身份验证过程,需要更高的数据量相对于身份验证过程;这是由于需要更多的数据来建立参考模型。网上身份验证过程,即。,when the user needs to access the system or service.

4所示。实验设计与分析

本节细节击败真正的实现及其性能分析。评估了两种方法:一个实验环境的上下文中NSF / RNP US-Brazil Healthsense项目;(2)基于数据集可以在生理网在线存储库。这两种方法针对比较他们的结果。

4.1。实现击败的实验环境

这跳动的实现利用分重力从DfRobot心率监测传感器,其光谱响应峰值570海里。它已经集成到一个开放的Arduino平台版本R3, 16兆赫ATmega328单片机,在几个可穿戴设备相同。图6(一)显示了一个数据收集的图片。

电耦合的实现和分析采用两个72 MHz 32位小小的3.2开发板作为一个信号发射器(TX)和接收器(RX),由不同来源并没有共享的地面。PPG信号放大、二进制编码和注入一种合成皮肤组织通过跳线,模拟接触皮肤电极。评估的目的,我们转移的样本真正PPG信号发射器接收器通过合成皮肤使用的距离8厘米。接收机,信号再次放大,随着合成组织绝缘特性,然后恢复到原始的形式。我们评估数据完整性的信号传播模型示例创建一个标识符。这个模型是相对于参考模型来执行用户身份验证,保证信号的正确性和兼容性。图6 (b)显示了GC试验台的照片。

用户注册过程发生在一个受控的环境中,防止电磁干扰和直接入射的光。我们收集了PPG信号,我们记录了捕获和时间信号为每个单独的数值。注册过程的结果是两个数据集(NR2 / UFPR # 1和# 2),包括数据来自30个健康个体从23到53岁,没有心脏问题的记录。每个单独的PPG信号收集和记录在两个位置:站着和坐着。NR2 / UFPR # 1数据集包含一组文件,一个用于每一个个体,从坐着个人数据,而NR2 / UFPR # 2数据集包含一组文件,一个为每个单独的数据从站着个人。这两个数据集在Healthsense公开项目存储库(https://github.com/Healthsense-Project)。用户注册发生在不同的时间会发生在一个真实的情况。数据集每个人持有一个3分钟的样品。图7显示为一个真正的样品原始PPG信号(如被传感器);过滤后的信号;和过滤信号检测峰值。

试验台采用的eighth-order第二切比雪夫低通滤波器使用R软件对收集到的信号。这个过滤器适合可穿戴设备,计算能力较低的微控制器。特征提取的PPG信号使用频带从0.5到5.0赫兹。早些时候,峰值检测和部分重叠;因此,R互相关函数(CCF)计算所有重叠段之间的相关性。CCF建立之间的关系两个不同的系列和各自的置信区间。因此,击败计算用户参考模型(认证门槛),见图8。

身份验证过程有每个用户输入一分钟实时收集的数据在每个位置。评价指标是真和假阳性,真和假阴性率、总推理和准确性。图9(一个)比较了参考模型记录了对于一个给定的用户(红波)和相同的用户的标识符(蓝色波)计算验证过程。尽管这种波并不完全相同,它们在阈值,则显示足够的相似性的存在允许用户身份验证。图9 (b)显示了一个参考模型和比较不同的用户的标识符,访问被拒绝。

一个低通滤波器消除了从收集到的分谐波信号,保留中央乐队(FC = 100 kHz)。接下来,数据通过通信信道发送在一个框架的有效载荷,包括同步的序言(可巴克代码),一个数据字段长度,有效载荷(64位)和8位CRC。通过人造皮肤的信号传播,模拟接收机硬件使用高通滤波器来消除低频噪声干扰。一个放大器(MAX4488格言集成TM)中和信道衰减和高频滤波器提高信号电平达到激活电压所需的二极管。包络检波器电路将信号转换为基带并移除任何可能的载波振荡之前提供的信号比较器电路。

除了实验环境描述的测试中执行,贝斯以色列女执事医疗中心数据集从生理网存储库(27)作为比较分析的基础。这个数据集包含PPG信号收集的30个人在125赫兹的频率由以色列中心。遭受一些关键的个人健康状况(例如,心脏,呼吸,和其他问题),当数据收集,个人在医院的病床上休息。值得提及的是,没有控制最后一个数据集的创建,即。,there was no management about the conditions of the environment in which data were collected or about the PPG sensor quality. Signal segments have resulted in handling three minutes of information from this dataset to create the user reference model (user registration) and one minute to calculate the user identifier employed for user authentication.

表1总结分析的结果在三个评价指标的数据集。击败了最好的结果NR2 / UFPR # 1数据集,精度98.66%,12个假阳性,无假阴性。为生理网数据集,它没有获得89.88%的准确性和假阴性,但在900年达到91假阳性的推论。NR2 / UFPR # 2数据集提出了26个有效用户(峰值满意确认)最初的676用户和推论。对于有效的用户来说,击败了92.15%的准确性,50 3假阴性和假阳性NR2 / UFPR # 2的数据集。

即使有过滤器的应用,一些因素不能规避,比如过度运动期间收集、电磁干扰等环境问题。最好的结果NR2 / UFPR # 1的数据集是由于稳定提供的坐姿,它允许用户的手臂在静止位置,产生更少的运动和分波形稳定。

图10显示了所有的验证结果个人NR2 / UFPR # 1的数据集。身份验证的假阳性值地图表明,收集到的数据是稳定的,从而能够从波形中提取一些特性。即使信号从用户收集关键的健康状况,该系统取得了精度接近90%为生理网数据集。我们怀疑的大量假阳性是由于劣质PPG信号,因为四个用户的数据集占60.4%的假阳性。评估两个身份验证映射时,我们观察到没有一个假阴性,表明在任何情况下,一个合法的用户试图验证,身份验证是成功的。身份验证准确性产生了击败相当于其他分身份验证系统,如(28,29日]。然而,击败了GC提供一个安全的通信通道,使得它难以执行一次完整的比较;我们所知,没有其他系统,共同分biosignal和GC适用于用户身份验证。

5。结论

智能医疗(健康)是一个令人兴奋的话题,已经导致了相当数量的研究主要关注数据的安全,不断收集来自用户的设备集成到他们的衣服或穿在身体上。提供安全、用户身份验证系统发挥着至关重要的作用。然而,必须考虑重新设计他们的局限性可穿戴设备,人机交互的从传统的角度不同。不再为例,可以看出long-alphabetic密码的使用可穿戴设备(主要是在植入的)作为一种授权访问系统,一旦密码不方便,要求用户定期关注。

文献综述的基础上,本文提出,一个新的身份验证系统,使用PPG信号和电耦合(GC),作为一个可穿戴式网络通信通道对用户进行身份验证。击败旨在实现无缝。,high transparency to the user in the authentication process, and security. The acquisition of the PPG signal is nonintrusive, and data are transmitted by GC, keeping the user continuously connected. Results from real experimentation have shown high accuracy, high true positives, and low false positives, being the incidence of false positives directly related to the quality of the PPG signal. The results of the experiments with the system indicate the feasibility of the PPG signal as a biometric authenticator; furthermore, using the galvanic coupling communication to transfer data raises security to a new level.

本文还提出了一个组织的国家艺术biosignal-based用户身份验证。组织遵循四个重要类别考虑传感器的类型:集合的雇佣biosignal及其来源;的必要性或不特定的用户操作;和通信通道。本文强调了每个类别和相关的现有主要的文学作品。

尽管显著进步,仍有挑战和机遇对这感兴趣的话题的研究。首先,从生物技术提取特征和模式需要改进效率(精度和低假阳性利率)在短时间内进行实时收集数据的窗口。第二,它是最重要的设计弹性biosignal-based身份验证系统在收集信号低质量。在这个方向将与多传感器的使用,提供不同的生物或冗余收集相同的信号。第三,设计用户身份验证系统,不需要操作的用户,即。,seamless authentication to users, is urgent, given the rapid advances in nanotechnology that allow wearing devices in the body. Fourth, in the search for seamless, it is necessary to advance in an efficient communication interfacing body-implanted devices and network coordinators.

数据可用性

本研究的数据集用于支持这些发现可以从相应的作者。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

作者要感谢斗篷,CNPq,联合NSF和RNP HealthSense项目(批准号在巴西的99/2017)。

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