基于步態(tài)的生物識別技術的新型人工神經(jīng)網(wǎng)絡框架

倫敦帝國理工學院的研究人員最近設計了一種新的生物識別密碼系統(tǒng)方法，用于保護可穿戴和植入式醫(yī)療設備的無線通信。他們的框架在IEEE Explore上發(fā)表的一項研究中概述，使用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(ANN)框架和步態(tài)信號能量變化。

在過去十年中，無線通信技術的進步推動了越來越多的身體傳感器網(wǎng)絡(BSN)設備的發(fā)展。這些是輕巧，低功率的傳感器節(jié)點，可以佩戴或植入人體，以監(jiān)測老年患者或慢性病患者的健康狀況。

盡管其有價值的應用，BSN設備引發(fā)了重要的安全問題，因為攻擊者可以破解這些無線連接的傳感器并破壞患者的個人和健康信息。然而，鑒于這些小型化傳感器的計算能力非常有限，傳統(tǒng)的計算機安全方案不能應用于這些設備。因此，研究人員尋求開發(fā)新的高級安全機制，以有效保護這些敏感數(shù)據(jù)。

用于保護BSN設備的有效解決方案是生物識別密碼系統(tǒng)(BCS)方法，其識別患者的生物特征，例如他/她的面部，虹膜，指紋，心電圖(ECG)或光電容積描記術(PPG)。帝國理工學院的研究團隊開發(fā)了一種新的BCS方法，特別關注步態(tài)信號能量變化; 換句話說，分析不同的人走路的方式。

“最先進的生物識別技術/可穿戴安全通常使用心電圖(ECG)，心臟的電活動，但它的皮膚附著電極極大地限制了它的應用，”該論文的第一作者Yingnan Sun告訴TechXplore。“我們覺得有必要探索一種既容易收集又無創(chuàng)的新型生物識別技術，以及人們走路的步態(tài)。”

術語“步態(tài)”是指肢體在動物和人類中的運動模式，特別是當它們行走/跑步時。不同種類的動物有其獨特的步態(tài)，但在個體之間也可以觀察到輕微的差異。

可以通過在身體上佩戴低成本慣性傳感器(例如加速度計)來捕獲步態(tài)信號。目前，幾乎所有可穿戴設備和許多可植入設備都已配備慣性傳感器。使用步態(tài)信號來形成BCS可以在可穿戴設備和可植入設備之間建立安全的通信信道。

“使用步態(tài)信號進行安全性的挑戰(zhàn)在于身體不同位置的不同傳感器捕獲的步態(tài)信號具有不同的模式，”Sun解釋道。“為了解決這個問題，我們引入了一個人工神經(jīng)網(wǎng)絡(ANN)框架，它將傳感器信號投影到一個統(tǒng)一的幀，并增加信號相關性。”

研究人員使用他們新開發(fā)的神經(jīng)網(wǎng)絡框架從BSN傳感器中提取相似的特征，按需生成二進制密鑰，無需用戶干預。當他們在步態(tài)數(shù)據(jù)集上測試他們的方法時，他們發(fā)現(xiàn)生成的二進制密鑰對所有主體都具有高熵。

“我們發(fā)現(xiàn)使用所提出的ANN框架可以顯著增加不同可穿戴傳感器捕獲的步態(tài)信號之間的相關性，從而大大提高了安全方案的性能，”Sun說。“這個新提出的安全框架比我們之前的工作效率高68.75%，在步行的12秒內生成128位密鑰。”

使用其框架生成的密鑰通過了美國國家標準與技術研究院(NIST)和Dieharder統(tǒng)計測試，可以有效地區(qū)分不同人的步態(tài)。新方法作為生物識別安全工具顯示出巨大的希望，并最終有助于更好地保護可穿戴設備和可植入設備收集的數(shù)據(jù)。

“目前，我們只研究了加速度信號在安全方案中的應用，但步態(tài)信號也包括其他類型的信號，例如陀螺儀信號，”Sun說。“在不久的將來，我們希望進一步提高我們提出的結合其他信號的安全方案的性能。”