植入式心脏起搏器安全硬件IP设计：基于AES-256加密签名的抗盗版技术研究

本研究针对植入式心脏起搏器硬件IP（知识产权）面临的盗版与篡改风险，提出了一种基于高级加密标准（AES-256）的安全硬件设计方法。研究人员通过高层次综合（HLS）技术，将加密签名转化为隐蔽的数字证据嵌入滤波器组和QRS复合波检测器的寄存器传输级（RTL）设计中，实现了概率巧合值低至8.40E-17、抗篡改强度高达2.41E+462的安全性能，为零成本设计开销的医疗电子设备安全提供了创新解决方案。

　　

在医疗电子设备领域，植入式心脏起搏器如同人体的"电力工程师"，通过精密调控心跳节律守护患者生命。然而，这个救命的"微型计算机"正面临严峻的安全挑战——全球供应链中，硬件IP（知识产权）的盗版和篡改可能导致起搏器误判心电信号，产生错误脉冲，甚至引发致命后果。更棘手的是，一旦问题设备被植入人体，更换需通过复杂手术，风险极高。这种"芯片级"安全隐患，使得心脏起搏器的硬件安全成为关乎生死的重要课题。

印度理工学院的研究人员开展了一项突破性研究，提出通过AES-256加密签名保护起搏器核心硬件IP的创新方案。该团队聚焦起搏器中最关键的滤波器组和QRS复合波检测器，将加密学与硬件设计深度融合，开发出能自我验证"血统"的安全芯片技术。这项发表在《npj Biomedical Innovations》的研究，为医疗电子设备筑起一道防伪"长城"。

研究采用三大关键技术：首先通过高层次综合（HLS）将滤波器组和QRS检测器的传递函数转化为控制数据流图（CDFG）；其次利用AES-256算法生成加密签名并编码为硬件安全约束；最后在寄存器分配阶段隐蔽嵌入这些约束，形成携带数字证据的RTL设计。所有实验基于15nm NanGate库和Cyclone IV FPGA实现。

安全性能分析

通过概率巧合（P_x）和抗篡改能力（TT）量化评估显示：当安全约束数达1536个时，P_x低至8.41E-17，TT高达2.41E+462，较传统水印技术提升10³⁰⁰倍量级。熵分析表明攻击者破解需面对9.0934E-656的极小概率，相当于在银河系所有原子中精确找到一个特定原子。

设计成本验证

在Cyclone IV FPGA上实现时，滤波器组和QRS检测器的逻辑单元（LE）占用率分别为8和42个寄存器，且签名嵌入后零面积开销。功耗分析显示功能单元、互连逻辑和存储硬件的能耗均保持基线水平。

临床意义验证

对比实验表明，含恶意硬件木马（PD-HT）的盗版IP会导致QRS检测延迟增加110.33皮秒（ps），而采用AES签名的正版设计保持2517.2264 ps的基准性能，确保起搏脉冲的精确时序控制。

这项研究开创性地将密码学指纹植入医疗硬件IP，其核心价值在于：

1. 侦探控制：通过P_x<10^-16的极低误报率，使系统集成商能可靠识别盗版IP；

2. 防御升级：TT>10¹⁵⁰的抗篡改能力，可抵御暴力破解攻击；

3. 临床安全：从芯片层面杜绝因IP盗版导致的心律误判风险。

Anirban Sengupta和Rahul Chaurasia的工作为植入式医疗设备建立了"设计即安全"的新范式，其方法可扩展至脑起搏器、胰岛素泵等生命支持设备。正如研究者强调："在关乎生命的医疗电子领域，安全不是附加功能，而是设计起点。"这项技术或将重塑医疗硬件的安全标准，让每一颗跳动的心脏都能信任体内的"电子守护者"。