فناوری‌های ارتباط بی سیم ایمن در پزشکی ابزارهای حیاتی برای کنترل از راه دور هستند. این فناوری‌ها با فراهم کردن ارتباط سریع و امن بین بیماران و پزشکان، به بهبود دسترسی به خدمات پزشکی و پایش سلامت کمک می‌کنند. از حسگرهای پوشیدنی تا اپلیکیشن‌های موبایل، این ابزارها سرعت و کیفیت خدمات درمانی را افزایش داده و هزینه‌ها را کاهش می‌دهند.
انتقال امن داده‌های حیاتی بیماران، مانند فشار خون و سطح باتری دستگاه‌ها، به پزشکان از طریق فناوری‌های ارتباط بی‌سیم، نیازمند استفاده از پروتکل‌ها و الگوریتم‌های رمزنگاری مناسب است تا امنیت و حریم خصوصی اطلاعات تضمین شود.
1. پروتکل‌های رمزنگاری‌شده برای انتقال داده‌های حیاتی
AES (استاندارد رمزنگاری پیشرفته)
استاندارد رمزنگاری پیشرفته (AES) الگوریتم رمزنگاری تایید شده توسط FIPS را مشخص میکند که می‌تواند برای محافظت از داده‌های الکترونیکی استفاده شود. الگوریتم AES یک رمزنگاری بلوکی هم‌کلید است که می‌تواند اطلاعات را رمزگذاری (رمزنگاری) و رمزگشایی کند. رمزگذاری داده‌ها را به شکلی غیرقابل فهم به نام متن رمزگذاری‌شده تبدیل میکند؛ و رمزگشایی متن رمزگذاری‌شده داده‌ها را به شکل اولیه خود، که به آن متن ساده گفته می‌شود، برمی‌گرداند. الگوریتم AES قادر است از کلیدهای رمزنگاری با طول‌های 128، 192 و 256 بیت برای رمزگذاری و رمزگشایی داده‌ها در بلوک‌های 128 بیتی استفاده کند.
ویژگی‌های کلیدی AES
-
اندازه بلوک: AES بر روی بلوک‌های ثابت داده کار میکند که هر کدام 128 بیت دارند.
-
طول کلیدها: AES از سه اندازه کلید پشتیبانی میکند:
-
AES-128: کلید 128 بیتی
-
AES-192: کلید 192 بیتی
-
AES-256: کلید 256 بیتی
-
-
تعداد دورها (Rounds): تعداد دورهایی که AES برای رمزگذاری داده‌ها انجام می‌دهد بستگی به طول کلید دارد:
-
10 دور برای کلیدهای 128 بیتی
-
12 دور برای کلیدهای 192 بیتی
-
14 دور برای کلیدهای 256 بیتی
-
نحوه عملکرد AES
AES داده‌های ورودی را با اعمال مجموعه‌ای از عملیات به چندین دور رمزگذاری میکند. این عملیات شامل:
-
SubBytes: جایگزینی هر بایت با مقدار معادل از یک جدول ثابت
-
ShiftRows: جابجایی ردیف‌های ماتریس داده
-
MixColumns: ترکیب ستون‌ها برای پخش بهتر داده‌ها
-
AddRoundKey: ترکیب بخشی از کلید با داده‌ها
هر دور داده را بیشتر مخلوط کرده و آن را پیچیده‌تر میکند تا امنیت رمزنگاری بالا رود.
رمزنگاری منحنی بیضوی (ECC)
رمزنگاری منحنی بیضوی (ECC) یک نوع رمزنگاری با کلید عمومی است که بر اساس ساختار جبر منحنی‌های بیضوی بر روی میدان‌های محدود بنا شده است. ECC امکان استفاده از کلیدها و امضاهای کوچکتر را در مقایسه با روش‌های سنتی مانند RSA فراهم میکند، در حالی که همان سطح امنیت را ارائه می‌دهد،همچنین دستگاه‌های پوشیدنی پزشکی کم‌مصرف کاربرد دارد.
رمزنگاری ترکیبی (AES + RSA/ECC)
ترکیب رمزنگاری AES با RSA یا ECC از مزایای هر دو نوع رمزنگاری متقارن (symmetric) و نامتقارن (asymmetric) بهره می‌برد تا امنیت و کارایی را هم‌زمان فراهم کند. این روش ترکیبی به‌طور گسترده در پروتکل‌های امنیتی مانند TLS/SSL برای ارتباطات امن در وب استفاده می‌شود.
رمزنگاری نامتقارن برای تبادل کلید:
الگوریتم‌هایی مانند RSA یا ECC برای تبادل امن یک کلید AES (متقارن) از طریق کانال ناامن استفاده می‌شوند. برای مثال، در مرحله‌ی ابتدایی اتصال TLS/SSL، کلاینت و سرور با استفاده از RSA یا ECC یک کلید مشترک AES را بین خود تبادل می‌کنند. پس از آن، هر دو طرف می‌توانند از این کلید AES برای رمزنگاری سریع و امن داده‌های جلسه استفاده کنند.
رمزنگاری متقارن برای انتقال داده‌ها:
پس از تعیین کلید مشترک AES، هر دو طرف از AES برای رمزنگاری و رمزگشایی داده‌های مبادله‌شده استفاده می‌کنند. AES بسیار سریع و کارآمد است و برای رمزنگاری حجم زیادی از داده‌ها مناسب می‌باشد.
۲. فناوری‌های ارتباط بی‌سیم امن
Bluetooth Low Energy (BLE)
بلوتوث کم‌مصرف (Bluetooth Low Energy یا BLE) یکی از فناوری‌های ارتباطی بی‌سیم است که به‌طور گسترده در دنیای تجهیزات پزشکی استفاده می‌شود. این فناوری برای مصرف انرژی پایین طراحی شده است و آن را به گزینه‌ای ایده‌آل برای دستگاه‌های مبتنی بر باتری تبدیل کرده است.
BLE نسخه‌ای از فناوری بلوتوث کلاسیک است که برای کاربردهایی بهینه شده که به انتقال داده به‌صورت دوره‌ای (و نه به‌صورت جریان پیوسته) نیاز دارند. در دنیای تجهیزات پزشکی، BLE به‌طور گسترده‌ای در پوشیدنی‌های پایش سلامت مانند دستبندهای تناسب اندام، مانیتورهای قند خون و ضربان قلب استفاده می‌شود. این دستگاه‌ها با بهره‌گیری از BLE داده‌های سلامتی را به‌صورت پیوسته جمع‌آوری و به گوشی‌های هوشمند یا دیگر سیستم‌های نظارتی منتقل می‌کنند، که امکان پایش و تحلیل لحظه‌ای اطلاعات را فراهم می‌سازد.
BLE همچنین اغلب در دستگاه‌های پزشکی هوشمند برای پایش بیماران از راه دور و مراقبت‌های خانگی به کار می‌رود. در این زمینه، به بیماران امکان می‌دهد تا وضعیت سلامتی خود را در خانه مدیریت کنند، در حالی که اطلاعات لحظه‌ای موردنیاز برای تصمیم‌گیری آگاهانه در اختیار مراقبان قرار می‌گیرد.
قابلیت BLE در حفظ اتصال در فواصل طولانی‌تر و مدیریت کارآمد مصرف انرژی، آن را به یکی از فناوری‌های ضروری برای دستگاه‌های پزشکی متصل مدرن تبدیل کرده است.
اتصال‌های BLE (بلوتوث کم‌مصرف) ممکن است تا ۵ ثانیه یا بیشتر طول بکشند، زیرا این فرآیند شامل اسکن، شناسایی و برقراری یک ارتباط امن است. با این حال، پس از اتصال اولیه، اتصال‌های بعدی بسیار سریع‌تر انجام می‌شوند و اغلب در عرض چند ثانیه دوباره برقرار می‌گردند.
BLE (بلوتوث کم‌مصرف) دارای چندین ویژگی امنیتی پیشرفته است که برای محافظت از داده‌ها هنگام انتقال طراحی شده‌اند. این فناوری از پروتکل‌های رمزنگاری و احراز هویت، مانند رمزنگاری AES با کلید ۱۲۸ بیتی استفاده میکند تا اطلاعات ارسالی را ایمن نگه دارد. همچنین، دستگاه‌های BLE می‌توانند از قابلیت‌هایی مانند پرش فرکانسی (frequency hopping) بهره ببرند که با تغییر مداوم فرکانس انتقال، ریسک تداخل را کاهش می‌دهد.
علاوه بر این، BLE از روش‌های جفت‌سازی (pairing) مختلفی پشتیبانی میکند، از جمله ورود رمز عبور (passkey entry) و جفت‌سازی خارج از باند (out-of-band pairing)، که به برقراری اتصالات امن بین دستگاه‌ها کمک میکند.
مثال‌هایی از کاربردهای BLE در دنیای واقعی:
1. پایشگرهای پوشیدنی سلامت (Wearable Health Monitors)
دستگاه‌هایی مانند ردیاب‌های تناسب اندام (fitness trackers)، ساعت‌های هوشمند (smartwatches) و مانیتورهای مداوم قند خون از BLE برای انتقال بی‌سیم داده‌های سلامتی به گوشی‌های هوشمند یا سیستم‌های پایش پزشکی استفاده می‌کنند.
این امکان را فراهم می‌سازد که کاربران بتوانند شاخص‌های سلامتی مانند ضربان قلب یا سطح قند خون را به‌صورت لحظه‌ای و در فواصل طولانی‌تر پایش کنند.
2. پایش از راه دور بیماران (Remote Patient Monitoring)
دستگاه‌هایی مانند فشارسنج‌های خانگی یا ردیاب‌های خواب که به BLE مجهز هستند، داده‌ها را به‌طور مداوم به مراقبان سلامت ارسال می‌کنند.
این امر امکان پایش سلامت بیماران از راه دور را فراهم کرده، بدون اینکه نیاز به مراجعه حضوری مکرر باشد.
3. استنشاق‌کننده‌های هوشمند (Smart Inhalers)
BLE در استنشاق‌کننده‌های هوشمند به کار می‌رود تا میزان مصرف دارو را پایش کرده و بازخورد لازم را به کاربر ارائه دهد.
این دستگاه از طریق BLE با اپلیکیشن گوشی ارتباط برقرار میکند تا الگوهای استفاده و رعایت دستور دارویی را دنبال کرده و یادآوری‌ها یا محتوای آموزشی ارائه دهد.
4. تجهیزات پزشکی متصل (Connected Medical Equipment)
تجهیزاتی مانند پمپ‌های تزریق یا مانیتورهای بیمارستانی ممکن است از BLE برای انتقال داده‌ها به سیستم‌های مرکزی پایش یا دستگاه‌های موبایل استفاده کنند.
این امر پایش لحظه‌ای و تجمیع داده از چندین دستگاه در محیط درمانی را آسان می‌سازد.
5. سیستم‌های دارورسانی (Drug Delivery Systems)
سیستم‌های دارورسانی هوشمند مانند پمپ‌های انسولین مجهز به BLE، امکان کنترل دقیق و پایش مصرف دارو را فراهم می‌کنند.
این دستگاه‌ها با اپلیکیشن‌های موبایل ارتباط برقرار می‌کنند تا دوزها را ثبت کرده، استفاده را پیگیری کنند و هشدارها یا پیشنهادهایی بر اساس داده‌ها ارائه دهند.
Zigbee
Zigbee یک پروتکل ارتباطی بی‌سیم است که برای برنامه‌های کم‌مصرف و با سرعت داده پایین طراحی شده است و به همین دلیل در حوزه پزشکی بسیار مناسب است.
کاربردهای Zigbee در مراقبت‌های بهداشتی:
- دستگاه‌های دارای فناوری Zigbee می‌توانند علائم حیاتی، رعایت دارو و سطح فعالیت بیماران را پیگیری کرده و به مراقبت‌کنندگان این امکان را می‌دهند که وضعیت سلامت بیماران را به‌طور مداوم و از راه دور رصد کنند.
- دستگاه‌های کمکی که با Zigbee کار می‌کنند، مانند حسگرهای پوشیدنی و سیستم‌های اتوماسیون خانه هوشمند، باعث افزایش استقلال و ایمنی افراد دارای معلولیت یا سالمندان می‌شوند.
- اتصال بی‌سیم دستگاه‌های پزشکی مانند مانیتورهای علائم حیاتی، ونتیلاتورها و پمپ‌های انفوزیون به Zigbee، امکان جمع‌آوری داده‌های مرکزی را فراهم میکند. Zigbee نیازهای مربوط به پهنای باند، قدرت، امنیت و تحرک را در این زمینه برآورده میکند.
- فناوری Zigbee یک راه‌حل قوی را فراهم می‌آورد که علاوه بر امکان برقراری ارتباط بی‌وقفه، محرمانگی و یکپارچگی اطلاعات حساس بیماران را نیز حفظ میکند.
- ZigBee Health Care یک استاندارد صنعتی برای تبادل داده بین دستگاه‌های پزشکی و غیرپزشکی مختلف است و استفاده‌هایی در سلامت، تندرستی و تناسب اندام دارد.
استفاده از فرکانس های زیست سازگار برای کاهش خطرات الکترومغناطیسی
استفاده از فرکانس‌های زیست‌سازگار مانند ارتباط میدان نزدیک (NFC) و RuBee (استاندارد IEEE 1902.1) در فناوری‌های ارتباط بی‌سیم ایمن، به کاهش خطرات الکترومغناطیسی در کاربردهای کنترل از راه دور کمک میکند. این فناوری‌ها با بهره‌گیری از فرکانس‌های پایین و تعامل محدود با بافت‌های زیستی، امکان انتقال داده‌های حساس پزشکی را با امنیت و کارایی بالا فراهم می‌سازند.
چرا فرکانس‌های زیست‌سازگار (مثل NFC و RuBee) در پزشکی خطر کمتری دارن؟
در حوزه پزشکی، ایمنی بیمار و عملکرد بدون اختلال تجهیزات حیاتی از اهمیت بالایی برخوردار است. استفاده از فناوری‌های بی‌سیم برای نظارت و کنترل از راه دور بیماران، به‌ویژه در دستگاه‌های پوشیدنی یا کاشتنی، نیازمند انتخاب فرکانس‌هایی است که کمترین آسیب را به بدن وارد کنند. در این میان، فرکانس‌های زیست‌سازگار مانند آنچه در فناوری‌هایی نظیر NFC (13.56 مگاهرتز) و RuBee (131 کیلوهرتز) به کار می‌رود، به دلیل ویژگی‌های خاص خود، به شکل قابل‌توجهی خطرات الکترومغناطیسی را کاهش می‌دهند.
نخست، این فرکانس‌ها در محدوده‌ای از طیف امواج الکترومغناطیسی قرار دارند که میزان جذب انرژی (SAR) در بافت‌های بدن در آن‌ها بسیار پایین است. این بدان معناست که انرژی منتقل‌شده از دستگاه به بافت، کمتر موجب گرمایش یا تحریک سلول‌ها می‌شود و احتمال ایجاد آسیب‌های بیولوژیکی به حداقل می‌رسد.
دوم، این فناوری‌ها به دلیل برد بسیار کوتاه و توان انتشار پایین، فقط در نزدیکی بدن عمل می‌کنند و میدان الکترومغناطیسی آن‌ها در محیط پراکنده نمی‌شود. این ویژگی موجب می‌شود نه‌تنها سایر بیماران یا کارکنان در معرض امواج قرار نگیرند، بلکه احتمال تداخل با دیگر تجهیزات پزشکی حساس مانند دفیبریلاتورها، مانیتورهای قلب یا دستگاه‌های تنفس نیز از بین برود.
سوم، فرکانس‌های زیست‌سازگار برخلاف امواج پرانرژی‌تر مانند Wi-Fi یا 5G، اثر یونیزه‌کننده یا جهش‌زا ندارند و فعالیت‌های فیزیولوژیکی حساس مانند عملکرد مغز یا سیستم عصبی را تحت تأثیر قرار نمی‌دهند. به همین دلیل، برای بیماران دارای بیماری‌های مزمن یا استفاده بلندمدت از تجهیزات پزشکی، ایمنی بالاتری دارند.
در نهایت، این فرکانس‌ها برای استفاده در تجهیزات کاشتنی (مانند پیس‌میکر یا سنسورهای پزشکی داخلی) نیز بسیار مناسب هستند، زیرا نه‌تنها کم‌خطرند، بلکه به دلیل مشخصات فنی خود با ساختار زیستی بدن سازگارترند و می‌توانند ارتباط ایمن، کم‌مصرف و بدون آسیب را برقرار کنند.
بنابراین، استفاده از فرکانس‌های زیست‌سازگار در سیستم‌های بی‌سیم پزشکی، یک راهکار اثربخش و علمی برای کاهش خطرات الکترومغناطیسی در بیماران و محیط‌های درمانی حساس به شمار می‌رود.