近年來(lái)，放射學(xué)、影像醫(yī)學(xué)、數(shù)字化圖像技術(shù)與計(jì)算機(jī)技術(shù)及通信技術(shù)的結(jié)合，形成了圖像存儲(chǔ)與傳輸系統(tǒng)(PACS)。PACS系統(tǒng)已成為現(xiàn)代及未來(lái)的醫(yī)學(xué)圖像影像信息管理利用的主流趨勢(shì)，也已成為了醫(yī)院信息系統(tǒng)的重要組成部分。在未來(lái)的遠(yuǎn)程醫(yī)療中，醫(yī)學(xué)影像資料的采集與交換，遠(yuǎn)程醫(yī)療中傳輸圖像信號(hào)的頻率也越來(lái)越高，法律要求患者的資料都要進(jìn)行加密再進(jìn)行傳輸，其安全性及隱蔽性也開(kāi)始受到關(guān)注。

一、遠(yuǎn)程醫(yī)療圖像文件加密系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1、遠(yuǎn)程醫(yī)療圖像文件加密系統(tǒng)概述

整個(gè)遠(yuǎn)程醫(yī)療圖像文件加密系統(tǒng)由兩部分組成：DSP圖像處理系統(tǒng)和數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)輸入輸出模塊。主要功能模塊有DSP存儲(chǔ)器模塊，DSP時(shí)鐘和中斷模塊。DSP核心處理模塊和網(wǎng)絡(luò)輸入輸出設(shè)備。系統(tǒng)框如圖1所示。

系統(tǒng)工作原理是：由CT等醫(yī)療影像儀器得到的數(shù)字圖像信號(hào)，經(jīng)過(guò)網(wǎng)絡(luò)接口進(jìn)入DSP核心處理模塊，由DSP模塊對(duì)采集到的數(shù)字圖像信號(hào)進(jìn)行加密處理，最后通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程醫(yī)療。

2、DSP核心系統(tǒng)設(shè)計(jì)

（1）系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求

本系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)要求為：具有高速處理能力，能滿足高灰度級(jí)別的醫(yī)學(xué)圖像大運(yùn)算量的要求，同時(shí)要求存儲(chǔ)容量大，便于圖像管理，采集的灰度圖像為1024x1024?；叶燃?jí)別為2 048—4 0960該系統(tǒng)的主控芯片選擇TI公司針對(duì)多媒體處理領(lǐng)域應(yīng)用的高性能的TMS320DM642（以下簡(jiǎn)稱DM642）。

（2）EMIF內(nèi)存擴(kuò)展模塊

本系統(tǒng)主要用于高精度的灰度醫(yī)學(xué)圖像，所以在處理中會(huì)產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)，需要擴(kuò)展大容量的外部存儲(chǔ)器才能滿足數(shù)據(jù)處理的需要。DM642通過(guò)EMIF訪問(wèn)片外存儲(chǔ)器，可配置為SRAM，F(xiàn)lash，SDRAM等各類存儲(chǔ)器接口。

DM642的FMIF支持對(duì)同步設(shè)備的直接接口，最常用的是同步動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器(Synchronous Dynamic RAM，SDRAM)。采用MICRON公司的MT48LC16M16A2，與DM642的連接示意圖如2所示。DM642還需要擴(kuò)展一個(gè)網(wǎng)ash存儲(chǔ)器，用于保存程序代碼和掉電后仍需要保存的用戶數(shù)據(jù)。本設(shè)計(jì)中選用的是AMD公司的8 Mbit(IMx8 bit)的MBM29DL800TA芯片，圖3為MBM29DL800TA與DSP的接口示意圖。

（3）輸入輸出系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)輸入的信號(hào)為CT或核磁等醫(yī)療儀器中的數(shù)字信號(hào)，由于一般的醫(yī)療器械數(shù)據(jù)外部接口的輸出方式為網(wǎng)絡(luò)接口，所以采用DM642的網(wǎng)絡(luò)功能。

針對(duì)DM642內(nèi)嵌了一個(gè)以太網(wǎng)控制器，這里采用Intel公司的LXT971ALC芯片口連接電路如圖4所示，從DM642傳輸過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)通過(guò)LXT971A轉(zhuǎn)換為以太網(wǎng)物理層能夠接受到的數(shù)據(jù)信號(hào)后，通過(guò)隔離變壓器再經(jīng)過(guò)RJ-45傳輸?shù)揭蕴W(wǎng)上去。

由于傳輸?shù)氖菍Ｓ冕t(yī)學(xué)圖像，不采用BMP，JPEG等一般格式，而足以DICOM格式存放。本設(shè)計(jì)采用DICOM3標(biāo)準(zhǔn)，標(biāo)準(zhǔn)的第8部分提供消息交換的網(wǎng)絡(luò)支持，說(shuō)明DICOM實(shí)體之間在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中通信服務(wù)和必要的上層協(xié)議的支持。DICOM中使用的是OSI和TCP/IP兩類協(xié)議。

二、遠(yuǎn)程醫(yī)療中的圖像文件加密系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)及核心加密算法分析

1、遠(yuǎn)程醫(yī)療中的圖像文件加密系統(tǒng)整體軟件設(shè)計(jì)

整個(gè)遠(yuǎn)程醫(yī)療圖像文件加密系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)流程如圖5所示。

首先初始化系統(tǒng)各個(gè)模塊，開(kāi)始空循環(huán)等待中斷，然后從醫(yī)學(xué)影像儀器采集原始圖像，DSP對(duì)讀取的數(shù)據(jù)文件進(jìn)行加密，之后將數(shù)據(jù)送人緩存等待發(fā)送網(wǎng)，發(fā)送完畢后釋放緩沖區(qū)。

2、網(wǎng)絡(luò)模塊流程

從醫(yī)學(xué)影像儀器采集圖像信號(hào)時(shí)，等系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)口初始化后，開(kāi)始掃描并進(jìn)行AD采樣，待FIFO存儲(chǔ)完畢后DSP開(kāi)始讀取數(shù)據(jù)，DSP算法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后送入以太網(wǎng)處理，結(jié)束后停止AD采樣。

加密后的數(shù)據(jù)文件經(jīng)過(guò)網(wǎng)絡(luò)端口傳輸時(shí)，先讀取狀態(tài)寄存器，等待寄存器接收完畢再檢測(cè)緩沖區(qū)的狀態(tài)，若正在釋放則等待釋放完畢，將待發(fā)送的數(shù)據(jù)寫入發(fā)送緩沖區(qū)，發(fā)送完畢后釋放緩沖區(qū)。

經(jīng)過(guò)圖像文件加密處理后的數(shù)據(jù)還是1024x1024的數(shù)字格式的圖像，F(xiàn)IFO數(shù)據(jù)存滿時(shí)，會(huì)通過(guò)硬件中斷通知DM642，開(kāi)始EDMA方式的數(shù)據(jù)傳輸，在不占用CPU資源的情況下將FIFO數(shù)據(jù)傳人內(nèi)存中指定的位置閣，然后將數(shù)據(jù)打包發(fā)送。

3、核心加密算法

本文采用將混沌映射和模映射相結(jié)合的方法對(duì)圖像文件進(jìn)行加密，充分利用混沌的加密性能和模運(yùn)算的置亂功能，在加密圖像文件的同時(shí)盡量減少計(jì)算復(fù)雜度和運(yùn)算時(shí)間，節(jié)約時(shí)間來(lái)處理下一幅圖像。

（1）混沌加密原理

混沌現(xiàn)象是一種復(fù)雜的非線性、非平衡的動(dòng)力學(xué)過(guò)程，對(duì)初始條件極為敏感，對(duì)于兩個(gè)相同的混沌系統(tǒng)，若使其處于稍異的初態(tài)都會(huì)迅速變成完全不同的狀態(tài)，同時(shí)運(yùn)動(dòng)的無(wú)規(guī)則性及具有寬Fourier功率譜及類似噪聲的特性，使其具有天然的屏蔽性，十分適合保密通信。

常見(jiàn)的混沌系統(tǒng)為L(zhǎng)ogistic混沌

式中：a成為分枝參數(shù)。當(dāng)a∈（1.401 15---2]時(shí)，Logistic映射工作于混沌狀態(tài)。

（2）模運(yùn)算置亂

圖像置亂是利用某種運(yùn)算有效地打亂輸入明文的次序，但變換后像素的總個(gè)數(shù)不變，直方圖不變，進(jìn)而能有效掩蓋明文的統(tǒng)計(jì)特性，抵御統(tǒng)計(jì)分析。目前提出的置亂方法有Arnold變換和幻方變換、Fass曲線、Hilbert曲線等。本文采用的是新型的顯亂——模運(yùn)算。

設(shè)圖像為f(x，y)，x∈{0，1，…，M-1}，y∈{0，1，…，N-1}，其相平面上的任意一點(diǎn)(x，y)經(jīng)過(guò)(4)映射變到另一點(diǎn)(xn+1，yn+1)。

式中：K1，K2分別是（2，M）和(2，N)范圍內(nèi)的范數(shù)，且M不能被K1整除，N不能被K整除，式(2)是一一映射，其逆變換為：

式中：xn和yn變換應(yīng)當(dāng)滿足的條件xn+1+k1M(modK1 )=0，yn+1+k2N(modK2)=0。

所用時(shí)間以及計(jì)算量都遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于Arnold等置亂方法。這是因?yàn)锳rnold等置亂的每次橫坐標(biāo)或縱坐標(biāo)變換都有2次乘法，而模運(yùn)算只要1次乘法運(yùn)算，每一點(diǎn)的置亂都節(jié)約了2次乘法運(yùn)算，計(jì)算時(shí)耗時(shí)最大的即乘法運(yùn)算，所以采用此模運(yùn)算節(jié)約了2N2次乘法計(jì)算。

DM642作為專用數(shù)字多媒體處理器，具有強(qiáng)大的圖像處理功能、強(qiáng)大的配置及以太網(wǎng)硬件接口功能，同時(shí)經(jīng)過(guò)混沌加密算法處理，保護(hù)了醫(yī)學(xué)圖像。在本系統(tǒng)中，以太網(wǎng)和DSP的通信技術(shù)可以廣泛應(yīng)用到遠(yuǎn)程醫(yī)療系統(tǒng)中其他醫(yī)學(xué)信號(hào)的傳輸，在遠(yuǎn)程醫(yī)療的網(wǎng)絡(luò)普及化方面具有一定的參考價(jià)值。

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