节能安全的远程机器人医疗设备通信系统的研究

医学信息学解锁26（2021）100731安全节能的机器对机器通信，遥操作系统梅加纳山口Lokhandea，Dipti Durgesh Patilb，*a.Pimpri Chinchwad工程学院计算机工程系，印度浦那Savitribai Punle Pune大学SKNCOE研究学者b印度浦那MKSSS康明斯女子工程学院信息技术系A R T I C L EI N FO保留字：机器对机器通信（M2M）远程机器人系统LEACH协议物联网（IoT）A B S T R A C T机器对机器（M2M）通信是指在智能设备或机器上运行的应用程序。它允许智能设备直接相互通信，很少或没有人为干预。在远程机器人系统中，医疗设备相互交互并自动交换信息，以便在手术过程中为医生提供视觉帮助。无线通信为攻击者提供了获取敏感数据和执行恶意操作的众多选项。远程机器人系统中的微小通信延迟会对医疗设备的性能产生重大影响，可能会危及患者的生命。此外，它可能会减慢手术室中的整个系统。为了提高系统的健壮性，本文提出了一种节能安全的M2M网络，该网络采用事件驱动的工作周期（EDDC）路由协议来提高医疗传感器节点的能量。执行拒绝服务（DoS）攻击，并通过服务质量（QoS）参数测量网络性能。与LEACH协议和ECFU协议的结果进行了比较，EDDC协议在攻击发生时仍有较好的性能。1. 介绍机器对机器通信（M2M）是一种新技术，它使机器能够在没有人为干预的情况下进行通信[1]。它涉及连接一个自治的有线或无线网络[2，3]。远程应用程序使用智能软件来收集和处理来自不同设备的数据，并使其可呈现给最终用户[4]。遥测系统已经在使用中，但是互联网和无处不在的网络的广泛利用使得M2M系统在世界范围内更容易被接受和优选[5 随着医疗保健技术的进步，安全的无线通信变得越来越重要。这将有助于患者获得咨询、诊断和治疗[ 11-15 ]。在文章[16]中，作者提出了一个拍卖聚合原型，col用于在多跳无线网络中为机器人分配任务。远程机器人系统利用无线通信网络在手术室中的机器人设备和医生的控制台之间交换命令。通信选项通常从作为救援机器人在内部操作的服务机器人到具有网络访问的房屋机器人[17]。预编程机器人在多个结构化工业应用中总是取得巨大成功，这是因为它们具有高精度、耐用性和速度。机器人技术通过结合以前的技术并将其部署在非结构化环境中，扩大了这些机器人的功能价值范围，从而促成了90年代网络机器人的出现[18]。IEEE机器人与自动化学会网络机器人技术委员会将机器人网络系统定义为连接到有线和/或无线通信网络的一组设备。网络机器人是一个多机器人系统.它由一组由命令控制的遥控机器人组成。这里，操作员通过分散的通信网络与控制台通信[19]。遥控机器人手术是一个不断发展的外科方向，导致新的外科技术的发展。在这里，外科医生正在从远程位置执行手术。远程机器人手术允许外科医生通过手术机器人和它们之间的通信网络远程操作患者。遥控机器人系统（TRS）允许主设备（外科医生的控制台）控制从设备（手术机器人）。外科医生通过控制台控制机器人手臂，可以看到机器人在手术过程中的反应和动作。目前，远程机器人系统正在证明自己能够在极端条件下工作。它为不发达国家的人民提供了一系列产品和福利，包括高质量的* 通讯作者。电子邮件地址：diptivt@gmail.com（D.D.帕蒂尔）。https://doi.org/10.1016/j.imu.2021.100731接收日期：2021年6月13日;接收日期：2021年9月9日;接受日期：2021年9月9日2021年9月11日网上发售2352-9148/©2021的 自行发表通过Elsevier 公司这是一个开放接入文章下的CCBY-NC-ND许可证（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）中找到。可在ScienceDirect上获得目录列表医学信息学期刊主页：www.elsevier.com/locate/imuM.P. Lokhande和D.D. 帕蒂尔医学信息学解锁26（2021）1007312医疗护理、受伤士兵立即获得手术援助、不同地理区域的更有效解决方案以及积极干预。此外，这项技术允许外科医生远程指导世界各地的年轻外科医生。同样，它可以克服发达国家和地区公共卫生体系的局限性和不一致性。大多数优势都可以通过在不受控制的敌对环境中维护受保护的系统和安全的能力来实现[20]。在传统程序中，主要障碍是患者这个问题很可能是由于传感器节点的意外故障由于网络资源有限，传统的安全机制存在计算开销大、通信困难等问题。安全网络的设计和开发无线传感器网络除了传统的安全机制外，还引入了安全路由、安全分组等数据安全机制。在大多数情况下，传感器节点是无人值守的，物理上不安全[21]。因此，脆弱性和攻击是无线传感器网络的关键问题。本研究提出一种节能且安全的M2M网络，用于遥操作机器人系统。该系统允许执行独立和智能设置的任务，从而减少了人工劳动并提高了为患者提供的服务质量。为了降低遥操作机器人中M2M通信的能量消耗，使用EDDC协议。EDDC是一种分层路由协议。它在所有传感器节点之间均匀地分配能量。攻击者可以捕获并重新编程医疗传感器节点以干扰其功能。这些节点通常用于恶劣的环境中，容易受到不必要的攻击。创建系统网络以显示存在和不存在攻击的LEACH网络性能。最后，结果表明，EDDC协议优于ECFU和LEACH算法，即使在网络中存在攻击。2. 背景传感器网络中的节能路由协议（EERP）的目标是降低能量消耗。近年来，广泛的研究已经确定了各种QoS倡议可能在能源有效的路由协议，但大多数现有的研究主要集中在经典的路由协议。在[22]中描述了WMSN（无线多媒体传感器网络）和实时路由协议。在这里，最佳路径的选择，通过评估成本函数使用不同的路由度量。在[23]中，作者描述了WMSN的设计挑战和当前非多媒体信息传输的局限性。作者在[24]中提出了一种多路径路由协议机制的分类，以实时为WMSN提供QoS。研究了路由层多路径策略的设计问题。在[25]中，研究了WBAN QoS识别路由协议。该协议可以适用于多接收器或单接收器的方法的基础上开发的网格体系结构。在文章[26]中，QoS识别路由协议根据其目标、优点和缺点能源效率和负载平衡路由协议的研究，[27].这些协议根据通信模式、算法类型和决策输入参数对设备进行分类。在这里，还讨论了与负载平衡协议开发相关的问题。在[28]中，WSN和WMSN多路由协议已经被修改。QoS使能的，能量感知的，和地理路由方法已被用来评估多路径路由的有效性它对多媒体数据传输有在[29]中，作者提出了面向数据和基于位置的路由协议。研究人员研究了智能路由协议算法，以优化WSN的服务寿命[30]。他们还根据网络的寿命评估了修订后的协议的有效性在[31]中，给出了基于ACO的节能WSN协议的全面概述。智能算法的一种分类分析了驾驶行为、目的地、网络拓扑和转换概率。在[32]中，QELAR，自适应的，节能的基于RL的协议被提出来解决无处不在的WSN路由问题。此外，由于网络的寿命加快，传感器使用了更多的电池电量。在[33]中提出了一种智能分布式路由方法，该方法集成了强化学习以有效地在分层WSN中路由数据，其中每个传感器节点可以选择最佳邻居节点。在[34]中，RL-QRP，一种用于WBAN的基于RL的QoS路由协议，被建议。作为学习分布式计算的结果，每个传感器节点将数据包传输速度和E2E延迟视为通信的指标。在[35]中，该网络使用改进的基于ACO的多路径路由算法进行扩展。改进的蚁群算法在考虑角度因子和节点间距离的情况下，生成到达接收节点的多条路由。源、中继器和接收器节点之间的这些角度系数用于增加路径过渡。对路径计算中的几个过渡进行了优化。在[36]中，LTAWSN提出了使用智能蚂蚁搜索能力来降低节点功耗的有意识路由算法。在[37]中，研究人员讨论了一种通过使用遗传算法聚类感觉节点来由于无线传感器网络的广播特性，通讯这种攻击可以在几个小时内摧毁网络。因此，正确的身份验证是必要的，以防止恶意节点攻击。为了在手术过程中监测关键的健康状况，传感器网络的安全性研究至关重要。[38]的作者提出了一种使用加密机制和聚类来防止DoS攻击的算法。[39]中的研究人员根据攻击检测和攻击响应算法对分布式拒绝服务（DDoS）进行了分类。作者在[40]中设计了一个用于检测无线网络中协议漏洞的模型。本文讨论了基于语义的拒绝服务攻击方法的性能分析。它只是受到不可能进行多层次分析这一事实的限制。[41]中的当前方法提供了一个攻击、一个翻译器和一个模仿器，它们都自动满足分析的标准。在[42]中，作者提出了一种新的消息跟踪机制。防止DoS攻击。该机制利用基于时空相关性的相似度函数检测攻击的频率和内容。在[43在[46它澄清了一个特定的模型可以用来创建一个更简单的最优控制器和过滤器，确保所需程度的攻击，如数据插入和提交错误。在[49]中，作者提出了一种线性动态方法，其中控制数据包通过网络传输。他们使用半安全编程方法来搜索因果反馈调节器，以确保网络系统的正常运行。所设计的方法可以是有益的远程机器人系统。 在[50，51]中，作者讨论了机器对机器通信的访问控制和安全威胁。远程机器人手术在5G网络中的性能综述见[ 52 ]。表1显示了与传感器网络中的路由协议及其局限性相关的总结性讨论。2.1. 脆弱性分析2.1.1. 攻击者模型远程机器人手术在资源有限和连接不安全 如图 1，通信线路将外科医生连接到机器人。与无人驾驶飞行器和卫星实现这种类型的通信也是可能虚线表示无线通信，实线表示无线通信。M.P. Lokhande和D.D. 帕蒂尔医学信息学解锁26（2021）1007313表1相关工作。在手术过程中发现，例如机器人的奇怪动作，机器人的意外参与或断开连接，或Sr.没有作者路由协议限制运动b) 操纵 的 意图 攻击 修改 的 反馈消息1Aswale，S等人[22]，QoS由于节点的增加，网络遭受维护表和状态的开销来自机器人。外科医生的信息（意图）被视为合法。由于机器人发送的数据和机器人接收的数据不一致，2Ehsan，S. 等人WMSN每个节点的信息。外科医生机器人不按照指令执行[23]，WMSN通常消耗更多协议的能量。这是由于实时数据传输产生了大量的流量。外科医生c) 当攻击发生时，控制权被攻击者接管。通过这种方式，机器人避开外科医生3Hasan等人[24]，4是的，N。等人多径路由协议数据流本身消耗大带宽，具有高能量。具有大孔洞的网络，重任务由于某些攻击，机器人永久或暂时损坏。此外，袭击者还对系统，并将其定义为（1）网络观测器和（2）网络QoS[25日]突然过载降低了系统性能。调解员5Liang，X.等[32]，QELAR分组路由协议在移动UWSN网络6Kiani，F.等[33]，FTIEE由于分组的成本。簇的大小随着到BS的节点距离的增加而网络中介，即， 在中心的攻击者（人在-中间和DoS攻击），在机器人和外科医生之间扮演中介者的角色，完全避免直接通信[54]。7Liang，X. 等人RL-QRP定期数据传输导致[34]，8Mohajerani，A.等人[36]，更多的能源消耗。LTAWSN保证端到端数据传输不能实现，因为恶意节点可能使源和接收器之间的路径过载。2.3. 手术中的挑战I. 手术问题：改变的意图、操纵和劫持攻击不仅对技术任务，而且对患者、外科医生和机器人都带来了重大风险。该机器人可以理想地用于潜在的患者在伤口愈合期间的手术干预。手术中的攻击可能会造成严重后果。攻击者可以访问外科医生的动作、触觉反馈和机器人手术视频，其中包括有关患者的个人信息。例如，视频流中的图像可能包含识别患者的特征，或者可能暴露患者更喜欢保密的身体部位。在攻击过程中，外科医生很有可能违反了手术系统，这可能是一种法律犯罪。外科医生无法在操作或意图改变的情况下直接访问机器人。他们可以操作机器人基于 数据已收到。此外，如果触觉反馈被改变，则存在对患者造成伤害的风险。对远程机器人安全的威胁越来越大图1.一、一个基本的 远程机器人手术设置[53]。表示预定义的网络连接（有线或无线）。橙色代表来自外科医生的确认信息，绿色代表来自机器人的反馈。在这样的条件下，存在两种攻击的可能性：（1）指示器调整，其中单个外科医生控制机器人，以及（2）网络和通信攻击，其中攻击者可以停止当前网络流量、引入新的攻击性流量或两者。由于严格的监控，端点不太容易受到损害比网络或。基于通信的攻击，由于其丰富性和可变性，减轻这些攻击是具有挑战性的。这种联系很可能是无线的，因此现场的攻击者可以中断连接或操纵流量的内容2.2. 攻击分类根据妥协的强度及其对外科医生的影响，作者将可能的攻击分为三类：a）改变意图，b）操纵意图，C）劫持攻击。a）意图改变攻击发生在攻击者通过改变其消息直接影响外科医生的计划动作并且外科医生不控制它们时。这些类型的攻击很容易关注外科界，因为安装攻击可以严重伤害病人并损坏机器人。二.网络通信问题数据的保密性：保密性意味着保留，使信息对外部人员保密。网络不应将传感器读数泄露给相邻网络。真实性和完整性：很大一部分数据很容易被恶意数据输入到传感器网络中。因此，接收方必须确保接收到的数据是正确和合法的。因为这种恶意数据可能会导致接收者的误解。不准确的通信：通信网络中不可靠的传感器由于其妥协的性质而容易受到攻击WSN取决于通信中的安全协议。不准确的传输：无线传感器路由协议具有很大的网络数据包变化。数据包主要由于信道错误而受阻。在连接的路由协议中确保数据传输的准确性。冲突：由于通信是可靠的，因此存在通信连接本身不合法的情况。这可能会导致高密度网络中的严重问题延迟：如果网络过载，延迟可能会增加，更难以实现最大认知路由。此外，延迟导致传感器节点的同步M.P. Lokhande和D.D. 帕蒂尔医学信息学解锁26（2021）1007314无人值守操作：传感器节点可能长时间保持无人值守，这取决于特定传感器网络的能力。物理攻击的影响：传感器部署在对外界开放的环境中。他们还面临各种物理条件，如恶劣天气和网络流量。传感器可能会受到物理攻击。远程控制：传感器网络在没有物理连接的情况下进行远程控制。没有中心点管理：感觉网络是一个共享网络，没有中心检查点。这一特性增加了传感器网络的生命力。然而，如果它不能正常工作，管理网络组织就会变得困难和低效。3. 拟议的研究工作3.1. 系统概述M2M是一种网络，其中大量智能设备在没有直接人为干预的情况下协作和共享信息。M2M网络具有多种应用和许多优点，其设计面临若干技术问题。经济增长背后的关键问题之一是安全。手术是一个经典的主/从遥控器，它依赖于机器人系统（图2）。架构模块是外科医生（主设备）和机器人（从设备）。外科医生坐在外科医生控制台上，有一个高分辨率的立体观察器，在手术室提供三维视觉。在大多数情况下，控制台放置在患者所在的手术台附近，外科医生从那里控制仪器和摄像机。这些设备使用外科医生的手和手指进行操作，并产生命令集。此外，通过内置驱动器，该设备还可以作为触觉设备，使力和扭矩被外科医生反映出来主从系统提供了机器人辅助手术的布局，其由主设备、控制器和从设备组成。外科医生使用主设备上的主控制台进行手术。从植物处理手术工具和设备。带有PD控制器的电机安装在机械臂上，用于机械臂移动。外科医生的移动和过滤是通过电机进行的。电机由PD控制器控制。控制器安装在机器人关节上，并连接到主从进程。主设备向控制器发送运动命令，这些运动命令由路径生成器处理，然后以特定的时间间隔计算中间位置。控制器的设定值通过比较实际位置和路径发生器接收的位置来计算。这些设定值被发送到位置控制回路，位置控制回路决定机械臂移动的位置。机器人手术方法包括三个机器人操纵器：用于操作手术器械，第三种用于控制内窥镜摄像机可以使用附加臂来保持其他手术器械。外科医生通过从控制台操纵两个输入设备用手操作机器人。手持摄像机允许外科医生通过输入或语音命令操作一个设备，控制台将显示外科医生从体内获得的任何图像。当两个摄像机结合时，外科医生可以显示解剖结构的三维图像。该系统的操作机器人执行两个操作：双面和单面控制模式。 在这两种情况下，实时数据流是生产出来的。外科医生通过移动输入设备为机器人产生命令设置。控制器将位置命令传输到手术机器人（从机）的手臂。致动器将臂和手术器械移动到该位置。无论控制模式是双向还是单向，信息流保持相同的安全挑战关联与M2M通信包括物理安全性、资源约束、异构性、延迟约束和可伸缩性[56]。挑战是确保通信安全性，并在整个不断变化的多跳无线电网络中存在攻击者的情况下保持安全通信。为了解决这个复杂的问题，并保证全面的安全性，必须保护路由检测和数据传输阶段。M2M一直面临着严重的安全威胁，这些威胁通常会对延迟、缓冲区、响应时间、网络带宽、分组丢失和较低的分组递送产生负面影响，从而导致较差的性能。节点恶意行为不成比例的网络活动，从而丢弃数据包，以降低效率。为了安全通信，事件驱动的工作周期（EDDC）路由协议被设计与各种医疗传感器节点，如摄像机，健康监测机，计算机，打印机等，详细描述在下一节。3.2. 该系统的算法医疗传感器节点具有有限的处理能力和电池的约束。每个节点的周期性信任得分使用三个度量来确定节点是否是攻击者。选择这三个指标来评估网络上攻击者的恶意行为。这些度量是成功的分组递送率（SPD）、可用能量（EA）和节点的度（DN）。在算法1中，GT是全局信任值，TS是为每个设备计算的信任得分。总信任分数（TS）使用以下三个参数计算信任分数：1) 成功数据包传输率（SPD）：攻击者节点在网络上执行恶意任务，从而导致不良SPD。节点n在当前时间间隔j-1到j的SPD计算为：图二、系统架构[55]。M.P. Lokhande和D.D. 帕蒂尔医学信息学解锁26（2021）1007315-=（）（））∈Bn[]=[]个字符

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