近年来,放射学、影像医学、数字化图像技术与计算机技术及通信技术的结合,形成了图像存储与传输系统(PACS)。PACS系统已成为现代及未来的医学图像影像信息管理利用的主流趋势,也已成为了医院信息系统的重要组成部分。在未来的远程医疗中,医学影像资料的采集与交换,远程医疗中传输图像信号的频率也越来越高,法律要求患者的资料都要进行加密再进行传输,其安全性及隐蔽性也开始受到关注。

一、远程医疗图像文件加密系统硬件设计

1、远程医疗图像文件加密系统概述

整个远程医疗图像文件加密系统由两部分组成:DSP图像处理系统和数据的网络输入输出模块。主要功能模块有DSP存储器模块,DSP时钟和中断模块。DSP核心处理模块和网络输入输出设备。系统框如图1所示。

远程医疗中的图像文件加密系统

系统工作原理是:由CT等医疗影像仪器得到的数字图像信号,经过网络接口进入DSP核心处理模块,由DSP模块对采集到的数字图像信号进行加密处理,最后通过网络传输实现远程医疗。

2、DSP核心系统设计

(1)系统设计要求

本系统的总体设计要求为:具有高速处理能力,能满足高灰度级别的医学图像大运算量的要求,同时要求存储容量大,便于图像管理,采集的灰度图像为1024x1024。灰度级别为2 048—4 0960该系统的主控芯片选择TI公司针对多媒体处理领域应用的高性能的TMS320DM642(以下简称DM642)。

(2)EMIF内存扩展模块

本系统主要用于高精度的灰度医学图像,所以在处理中会产生大量的数据,需要扩展大容量的外部存储器才能满足数据处理的需要。DM642通过EMIF访问片外存储器,可配置为SRAM,Flash,SDRAM等各类存储器接口。

DM642的FMIF支持对同步设备的直接接口,最常用的是同步动态存储器(Synchronous Dynamic RAM,SDRAM)。采用MICRON公司的MT48LC16M16A2,与DM642的连接示意图如2所示。DM642还需要扩展一个网ash存储器,用于保存程序代码和掉电后仍需要保存的用户数据。本设计中选用的是AMD公司的8 Mbit(IMx8 bit)的MBM29DL800TA芯片,图3为MBM29DL800TA与DSP的接口示意图。

远程医疗中的图像文件加密系统

(3)输入输出系统的设计

本系统输入的信号为CT或核磁等医疗仪器中的数字信号,由于一般的医疗器械数据外部接口的输出方式为网络接口,所以采用DM642的网络功能。

针对DM642内嵌了一个以太网控制器,这里采用Intel公司的LXT971ALC芯片口连接电路如图4所示,从DM642传输过来的数据通过LXT971A转换为以太网物理层能够接受到的数据信号后,通过隔离变压器再经过RJ-45传输到以太网上去。

远程医疗中的图像文件加密系统

由于传输的是专用医学图像,不采用BMP,JPEG等一般格式,而足以DICOM格式存放。本设计采用DICOM3标准,标准的第8部分提供消息交换的网络支持,说明DICOM实体之间在网络环境中通信服务和必要的上层协议的支持。DICOM中使用的是OSI和TCP/IP两类协议。

二、远程医疗中的图像文件加密系统软件设计及核心加密算法分析

1、远程医疗中的图像文件加密系统整体软件设计

整个远程医疗图像文件加密系统的软件设计流程如图5所示。

远程医疗中的图像文件加密系统

首先初始化系统各个模块,开始空循环等待中断,然后从医学影像仪器采集原始图像,DSP对读取的数据文件进行加密,之后将数据送人缓存等待发送网,发送完毕后释放缓冲区。

2、网络模块流程

从医学影像仪器采集图像信号时,等系统和网络口初始化后,开始扫描并进行AD采样,待FIFO存储完毕后DSP开始读取数据,DSP算法对数据进行处理后送入以太网处理,结束后停止AD采样。

加密后的数据文件经过网络端口传输时,先读取状态寄存器,等待寄存器接收完毕再检测缓冲区的状态,若正在释放则等待释放完毕,将待发送的数据写入发送缓冲区,发送完毕后释放缓冲区。

经过图像文件加密处理后的数据还是1024x1024的数字格式的图像,FIFO数据存满时,会通过硬件中断通知DM642,开始EDMA方式的数据传输,在不占用CPU资源的情况下将FIFO数据传人内存中指定的位置阁,然后将数据打包发送。

3、核心加密算法

本文采用将混沌映射和模映射相结合的方法对图像文件进行加密,充分利用混沌的加密性能和模运算的置乱功能,在加密图像文件的同时尽量减少计算复杂度和运算时间,节约时间来处理下一幅图像。

(1)混沌加密原理

混沌现象是一种复杂的非线性、非平衡的动力学过程,对初始条件极为敏感,对于两个相同的混沌系统,若使其处于稍异的初态都会迅速变成完全不同的状态,同时运动的无规则性及具有宽Fourier功率谱及类似噪声的特性,使其具有天然的屏蔽性,十分适合保密通信。

常见的混沌系统为Logistic混沌

远程医疗中的图像文件加密系统

式中:a成为分枝参数。当a∈(1.401 15---2]时,Logistic映射工作于混沌状态。

(2)模运算置乱

图像置乱是利用某种运算有效地打乱输入明文的次序,但变换后像素的总个数不变,直方图不变,进而能有效掩盖明文的统计特性,抵御统计分析。目前提出的置乱方法有Arnold变换和幻方变换、Fass曲线、Hilbert曲线等。本文采用的是新型的显乱——模运算。

设图像为f(x,y),x∈{0,1,…,M-1},y∈{0,1,…,N-1},其相平面上的任意一点(x,y)经过(4)映射变到另一点(xn+1,yn+1)。

远程医疗中的图像文件加密系统

式中:K1,K2分别是(2,M)和(2,N)范围内的范数,且M不能被K1整除,N不能被K整除,式(2)是一一映射,其逆变换为:

远程医疗中的图像文件加密系统

式中:xn和yn变换应当满足的条件xn+1+k1M(modK1 )=0,yn+1+k2N(modK2)=0。

所用时间以及计算量都远远小于Arnold等置乱方法。这是因为Arnold等置乱的每次横坐标或纵坐标变换都有2次乘法,而模运算只要1次乘法运算,每一点的置乱都节约了2次乘法运算,计算时耗时最大的即乘法运算,所以采用此模运算节约了2N2次乘法计算。

DM642作为专用数字多媒体处理器,具有强大的图像处理功能、强大的配置及以太网硬件接口功能,同时经过混沌加密算法处理,保护了医学图像。在本系统中,以太网和DSP的通信技术可以广泛应用到远程医疗系统中其他医学信号的传输,在远程医疗的网络普及化方面具有一定的参考价值。

小知识之远程医疗

远程医疗是指通过计算机技术、通信技术与多媒体技术,同医疗技术相结合,旨在提高诊断与医疗水平、降低医疗开支、满足广大人民群众保健需求的一项全新的医疗服务。目前,远程医疗技术已经从最初的电视监护、电话远程诊断发展到利用高速网络进行数字、图像、语音的综合传输,并且实现了实时的语音和高清晰图像的交流,为现代医学的应用提供了更广阔的发展空间。国外在这一领域的发展已有40多年的历史,而我国只在最近几年才得到重视和发展。