61
Marchiatura reversibile di immagini biomediche Autenticazione di immagini biomediche in sistemi PACS gerarchici tramite marchiatura reversibile Marco Fontani Università degli Studi di Firenze, Facoltà di Ingegneria 21 Aprile 2010 Relatori: Prof. Alessandro Piva Prof. Pietro Pala Co-relatori: Ing. Alessia De Rosa Ing. Roberto Caldelli Ing. Francesco Filippini Dott. Matteo Consalvo Università degli Studi di Firenze Corso di Laurea Specialistica in Ingegneria Informatica

Autenticazione di immagini biomediche in sistemi PACS gerarchici tramite marchiatura reversibile

Embed Size (px)

DESCRIPTION

Autenticazione di immagini biomediche in sistemi PACS gerarchici tramite marchiatura reversibile - Marco Fontani - AA 2008-2009 Relatori: Prof. Vito Cappellini, Prof Pietro Pala, Piva, Dr. Alessia De Rosa Caldelli, Ing. Francesco Filippini, Dr. Mattero Consalvo

Citation preview

Page 1: Autenticazione di immagini biomediche in sistemi PACS gerarchici tramite marchiatura reversibile

Marchiatura reversibile di immagini biomediche

Autenticazione di immagini biomedichein sistemi PACS gerarchici

tramite marchiatura reversibile

Marco Fontani

Università degli Studi di Firenze, Facoltà di Ingegneria

21 Aprile 2010

Relatori:Prof. Alessandro PivaProf. Pietro Pala

Co-relatori:Ing. Alessia De RosaIng. Roberto CaldelliIng. Francesco FilippiniDott. Matteo Consalvo

Università degli Studi di Firenze Corso di Laurea Specialistica in Ingegneria Informatica

Page 2: Autenticazione di immagini biomediche in sistemi PACS gerarchici tramite marchiatura reversibile

Obiettivi del lavoro

L’obiettivo principale è consentire la verifica di integrità degli esami medicibasati su immagini all’interno dei sistemi informativi che li gestiscono.

Il lavoro si è articolato in più fasi:Analisi dello scenario e delle sue criticitàStudio di un insieme di algoritmi di marchiatura digitale compatibili conle caratteristiche del contestoSviluppo di un algoritmo per l’utilizzo su immagini biomediche di diversemodalità (CT, MR, CR, MG).Proposta di integrazione dell’algoritmo all’interno dello scenarioanalizzato

Autenticazione di immagini biomediche, in sistemi PACS gerarchici, tramite marchiatura reversibile

Page 3: Autenticazione di immagini biomediche in sistemi PACS gerarchici tramite marchiatura reversibile

Scenario

Sommario

1 Scenario

2 Marchiatura reversibile

3 Autenticazione di esami

4 Risultati sperimentali

Autenticazione di immagini biomediche, in sistemi PACS gerarchici, tramite marchiatura reversibile

Page 4: Autenticazione di immagini biomediche in sistemi PACS gerarchici tramite marchiatura reversibile

Scenario

Sistemi PACSLo sviluppo tecnologico sta rivoluzionando la sanità, sia nell’aspetto gestionalesia in quello tecnico.Le macchine diagnostiche moderne per l’acquisizione di bioimmagini generanoimmagini digitali ad alta risoluzione. I sistemi PACS (Picture Archiving andCommunication System) nascono per consentire archiviazione, trasmissione,consultazione e stampa di queste immagini.

Autenticazione di immagini biomediche, in sistemi PACS gerarchici, tramite marchiatura reversibile

Page 5: Autenticazione di immagini biomediche in sistemi PACS gerarchici tramite marchiatura reversibile

Scenario

Sistemi PACS gerarchiciLa facilità di trasmissione favorisce l’accentramento degli archivi, al fine difacilitarne la condivisione, la conservazione e l’archiviazione legale.

Ciclo di vita di un esame

Acquisizione: genera file DICOM e liinvia al server di presidioInoltro dal server di presidio al PACSdella ASL (intertempo: ∼30 min)Trasferimento al PACS di Area Vasta(intertempo: ∼12 h)Mantenimento e Archiviazione legale(intertempo: ∼24 h)

Archiviazione legaleI dati vengono riversati su volumi fisici,protetti da firma digitale. L’archivio èoff-line.

Autenticazione di immagini biomediche, in sistemi PACS gerarchici, tramite marchiatura reversibile

Page 6: Autenticazione di immagini biomediche in sistemi PACS gerarchici tramite marchiatura reversibile

Scenario

Sistemi PACS gerarchiciLa facilità di trasmissione favorisce l’accentramento degli archivi, al fine difacilitarne la condivisione, la conservazione e l’archiviazione legale.

Ciclo di vita di un esame

Acquisizione: genera file DICOM e liinvia al server di presidioInoltro dal server di presidio al PACSdella ASL (intertempo: ∼30 min)Trasferimento al PACS di Area Vasta(intertempo: ∼12 h)Mantenimento e Archiviazione legale(intertempo: ∼24 h)

Archiviazione legaleI dati vengono riversati su volumi fisici,protetti da firma digitale. L’archivio èoff-line.

Autenticazione di immagini biomediche, in sistemi PACS gerarchici, tramite marchiatura reversibile

Page 7: Autenticazione di immagini biomediche in sistemi PACS gerarchici tramite marchiatura reversibile

Scenario

Sistemi PACS gerarchiciLa facilità di trasmissione favorisce l’accentramento degli archivi, al fine difacilitarne la condivisione, la conservazione e l’archiviazione legale.

Ciclo di vita di un esame

Acquisizione: genera file DICOM e liinvia al server di presidioInoltro dal server di presidio al PACSdella ASL (intertempo: ∼30 min)Trasferimento al PACS di Area Vasta(intertempo: ∼12 h)Mantenimento e Archiviazione legale(intertempo: ∼24 h)

Archiviazione legaleI dati vengono riversati su volumi fisici,protetti da firma digitale. L’archivio èoff-line.

Autenticazione di immagini biomediche, in sistemi PACS gerarchici, tramite marchiatura reversibile

Page 8: Autenticazione di immagini biomediche in sistemi PACS gerarchici tramite marchiatura reversibile

Scenario

Sistemi PACS gerarchiciLa facilità di trasmissione favorisce l’accentramento degli archivi, al fine difacilitarne la condivisione, la conservazione e l’archiviazione legale.

Ciclo di vita di un esame

Acquisizione: genera file DICOM e liinvia al server di presidioInoltro dal server di presidio al PACSdella ASL (intertempo: ∼30 min)Trasferimento al PACS di Area Vasta(intertempo: ∼12 h)Mantenimento e Archiviazione legale(intertempo: ∼24 h)

Archiviazione legaleI dati vengono riversati su volumi fisici,protetti da firma digitale. L’archivio èoff-line.

Autenticazione di immagini biomediche, in sistemi PACS gerarchici, tramite marchiatura reversibile

Page 9: Autenticazione di immagini biomediche in sistemi PACS gerarchici tramite marchiatura reversibile

Scenario

Sistemi PACS gerarchiciLa facilità di trasmissione favorisce l’accentramento degli archivi, al fine difacilitarne la condivisione, la conservazione e l’archiviazione legale.

Ciclo di vita di un esame

Acquisizione: genera file DICOM e liinvia al server di presidioInoltro dal server di presidio al PACSdella ASL (intertempo: ∼30 min)Trasferimento al PACS di Area Vasta(intertempo: ∼12 h)Mantenimento e Archiviazione legale(intertempo: ∼24 h)

Archiviazione legaleI dati vengono riversati su volumi fisici,protetti da firma digitale. L’archivio èoff-line.

Autenticazione di immagini biomediche, in sistemi PACS gerarchici, tramite marchiatura reversibile

Page 10: Autenticazione di immagini biomediche in sistemi PACS gerarchici tramite marchiatura reversibile

Scenario

Sistemi PACS gerarchiciLa facilità di trasmissione favorisce l’accentramento degli archivi, al fine difacilitarne la condivisione, la conservazione e l’archiviazione legale.

Ciclo di vita di un esame

Acquisizione: genera file DICOM e liinvia al server di presidioInoltro dal server di presidio al PACSdella ASL (intertempo: ∼30 min)Trasferimento al PACS di Area Vasta(intertempo: ∼12 h)Mantenimento e Archiviazione legale(intertempo: ∼24 h)

Archiviazione legaleI dati vengono riversati su volumi fisici,protetti da firma digitale. L’archivio èoff-line.

Autenticazione di immagini biomediche, in sistemi PACS gerarchici, tramite marchiatura reversibile

Page 11: Autenticazione di immagini biomediche in sistemi PACS gerarchici tramite marchiatura reversibile

Scenario

Pericoli per l’integrità degli esamiL’integrità (assenza di contraffazioni) dei dati è un punto cruciale. Il sistemaanalizzato espone alcune criticità.

Criticità

Stazionamento dei dati in PACSintermedi prima dell’archiviazionelegale (decine di ore tra acquisizionee consolidamento)Accesso dei tecnici del PACS ai dati(necessario per correggere metadati)Separazione dell’archivio legale daquello effettivamente utilizzato dalpersonale sanitario

Possibile soluzioneUtilizzare la marchiatura digitale per corredare ciascun esame delle informazioninecessarie alla verifica di integrità e al controllo dell’identità del paziente.

Autenticazione di immagini biomediche, in sistemi PACS gerarchici, tramite marchiatura reversibile

Page 12: Autenticazione di immagini biomediche in sistemi PACS gerarchici tramite marchiatura reversibile

Scenario

Pericoli per l’integrità degli esamiL’integrità (assenza di contraffazioni) dei dati è un punto cruciale. Il sistemaanalizzato espone alcune criticità.

Criticità

Stazionamento dei dati in PACSintermedi prima dell’archiviazionelegale (decine di ore tra acquisizionee consolidamento)Accesso dei tecnici del PACS ai dati(necessario per correggere metadati)Separazione dell’archivio legale daquello effettivamente utilizzato dalpersonale sanitario

Possibile soluzioneUtilizzare la marchiatura digitale per corredare ciascun esame delle informazioninecessarie alla verifica di integrità e al controllo dell’identità del paziente.

Autenticazione di immagini biomediche, in sistemi PACS gerarchici, tramite marchiatura reversibile

Page 13: Autenticazione di immagini biomediche in sistemi PACS gerarchici tramite marchiatura reversibile

Scenario

Pericoli per l’integrità degli esamiL’integrità (assenza di contraffazioni) dei dati è un punto cruciale. Il sistemaanalizzato espone alcune criticità.

Criticità

Stazionamento dei dati in PACSintermedi prima dell’archiviazionelegale (decine di ore tra acquisizionee consolidamento)Accesso dei tecnici del PACS ai dati(necessario per correggere metadati)Separazione dell’archivio legale daquello effettivamente utilizzato dalpersonale sanitario

Possibile soluzioneUtilizzare la marchiatura digitale per corredare ciascun esame delle informazioninecessarie alla verifica di integrità e al controllo dell’identità del paziente.

Autenticazione di immagini biomediche, in sistemi PACS gerarchici, tramite marchiatura reversibile

Page 14: Autenticazione di immagini biomediche in sistemi PACS gerarchici tramite marchiatura reversibile

Scenario

Pericoli per l’integrità degli esamiL’integrità (assenza di contraffazioni) dei dati è un punto cruciale. Il sistemaanalizzato espone alcune criticità.

Criticità

Stazionamento dei dati in PACSintermedi prima dell’archiviazionelegale (decine di ore tra acquisizionee consolidamento)Accesso dei tecnici del PACS ai dati(necessario per correggere metadati)Separazione dell’archivio legale daquello effettivamente utilizzato dalpersonale sanitario

Possibile soluzioneUtilizzare la marchiatura digitale per corredare ciascun esame delle informazioninecessarie alla verifica di integrità e al controllo dell’identità del paziente.

Autenticazione di immagini biomediche, in sistemi PACS gerarchici, tramite marchiatura reversibile

Page 15: Autenticazione di immagini biomediche in sistemi PACS gerarchici tramite marchiatura reversibile

Scenario

Pericoli per l’integrità degli esamiL’integrità (assenza di contraffazioni) dei dati è un punto cruciale. Il sistemaanalizzato espone alcune criticità.

Criticità

Stazionamento dei dati in PACSintermedi prima dell’archiviazionelegale (decine di ore tra acquisizionee consolidamento)Accesso dei tecnici del PACS ai dati(necessario per correggere metadati)Separazione dell’archivio legale daquello effettivamente utilizzato dalpersonale sanitario

Possibile soluzioneUtilizzare la marchiatura digitale per corredare ciascun esame delle informazioninecessarie alla verifica di integrità e al controllo dell’identità del paziente.

Autenticazione di immagini biomediche, in sistemi PACS gerarchici, tramite marchiatura reversibile

Page 16: Autenticazione di immagini biomediche in sistemi PACS gerarchici tramite marchiatura reversibile

Scenario

Pericoli per l’integrità degli esamiL’integrità (assenza di contraffazioni) dei dati è un punto cruciale. Il sistemaanalizzato espone alcune criticità.

Criticità

Stazionamento dei dati in PACSintermedi prima dell’archiviazionelegale (decine di ore tra acquisizionee consolidamento)Accesso dei tecnici del PACS ai dati(necessario per correggere metadati)Separazione dell’archivio legale daquello effettivamente utilizzato dalpersonale sanitario

Possibile soluzioneUtilizzare la marchiatura digitale per corredare ciascun esame delle informazioninecessarie alla verifica di integrità e al controllo dell’identità del paziente.

Autenticazione di immagini biomediche, in sistemi PACS gerarchici, tramite marchiatura reversibile

Page 17: Autenticazione di immagini biomediche in sistemi PACS gerarchici tramite marchiatura reversibile

Scenario

Obiettivi e requisitiQuesto lavoro propone una integrazione all’architettura che affronta le criticitàrilevate, tenendo conto dei requisiti emersi dallo studio dello scenario:

Obiettivi

Assicurare che la copia archiviata sia quella autenticaConsentire la verifica di integrità degli esami ad ogni utilizzoRafforzare il legame tra immagini e identità del pazienteMantenere la compatibilità col sistema esistente

Requisiti

Non alterare in modo irreversibile le immaginiMantenere fedeli all’originale le immagini protetteContenere i tempi di elaborazione (< 30 sec per esame)Non richiedere stravolgimenti architetturali

Autenticazione di immagini biomediche, in sistemi PACS gerarchici, tramite marchiatura reversibile

Page 18: Autenticazione di immagini biomediche in sistemi PACS gerarchici tramite marchiatura reversibile

Scenario

Obiettivi e requisitiQuesto lavoro propone una integrazione all’architettura che affronta le criticitàrilevate, tenendo conto dei requisiti emersi dallo studio dello scenario:

Obiettivi

Assicurare che la copia archiviata sia quella autenticaConsentire la verifica di integrità degli esami ad ogni utilizzoRafforzare il legame tra immagini e identità del pazienteMantenere la compatibilità col sistema esistente

Requisiti

Non alterare in modo irreversibile le immaginiMantenere fedeli all’originale le immagini protetteContenere i tempi di elaborazione (< 30 sec per esame)Non richiedere stravolgimenti architetturali

Autenticazione di immagini biomediche, in sistemi PACS gerarchici, tramite marchiatura reversibile

Page 19: Autenticazione di immagini biomediche in sistemi PACS gerarchici tramite marchiatura reversibile

Scenario

Obiettivi e requisitiQuesto lavoro propone una integrazione all’architettura che affronta le criticitàrilevate, tenendo conto dei requisiti emersi dallo studio dello scenario:

Obiettivi

Assicurare che la copia archiviata sia quella autenticaConsentire la verifica di integrità degli esami ad ogni utilizzoRafforzare il legame tra immagini e identità del pazienteMantenere la compatibilità col sistema esistente

Requisiti

Non alterare in modo irreversibile le immaginiMantenere fedeli all’originale le immagini protetteContenere i tempi di elaborazione (< 30 sec per esame)Non richiedere stravolgimenti architetturali

Autenticazione di immagini biomediche, in sistemi PACS gerarchici, tramite marchiatura reversibile

Page 20: Autenticazione di immagini biomediche in sistemi PACS gerarchici tramite marchiatura reversibile

Marchiatura reversibile

Sommario

1 Scenario

2 Marchiatura reversibile

3 Autenticazione di esami

4 Risultati sperimentali

Autenticazione di immagini biomediche, in sistemi PACS gerarchici, tramite marchiatura reversibile

Page 21: Autenticazione di immagini biomediche in sistemi PACS gerarchici tramite marchiatura reversibile

Marchiatura reversibile

Marchiatura digitale di immagini

Un algoritmo di marchiatura consente di introdurre all’interno di unaimmagine dell’informazione in modo che essa sia invisibile ad un osservatorema facilmente estraibile in fase di rivelazione.Sono stati analizzati in letteratura algoritmi che si adattassero agli obiettivi edai vincoli di interesse:

Lo scopo è autenticare immagini ⇒ marchio fragileNon si può compromettere l’originale ⇒ algoritmo reversibileNon devono essere trasmesse molte informazioni ⇒ bassa capacitàSi vuole alta qualità delle immagini marchiate ⇒ impercettibilità

Algoritmo di baseScelto l’algoritmo di Lee et al. (fragile, reversibile, capacità regolabile, basso impattopercettivo) per essere esteso ed adattato al dominio di interesse.

Autenticazione di immagini biomediche, in sistemi PACS gerarchici, tramite marchiatura reversibile

Page 22: Autenticazione di immagini biomediche in sistemi PACS gerarchici tramite marchiatura reversibile

Marchiatura reversibile

Marchiatura digitale di immagini

Un algoritmo di marchiatura consente di introdurre all’interno di unaimmagine dell’informazione in modo che essa sia invisibile ad un osservatorema facilmente estraibile in fase di rivelazione.Sono stati analizzati in letteratura algoritmi che si adattassero agli obiettivi edai vincoli di interesse:

Lo scopo è autenticare immagini ⇒ marchio fragileNon si può compromettere l’originale ⇒ algoritmo reversibileNon devono essere trasmesse molte informazioni ⇒ bassa capacitàSi vuole alta qualità delle immagini marchiate ⇒ impercettibilità

Algoritmo di baseScelto l’algoritmo di Lee et al. (fragile, reversibile, capacità regolabile, basso impattopercettivo) per essere esteso ed adattato al dominio di interesse.

Autenticazione di immagini biomediche, in sistemi PACS gerarchici, tramite marchiatura reversibile

Page 23: Autenticazione di immagini biomediche in sistemi PACS gerarchici tramite marchiatura reversibile

Marchiatura reversibile

Marchiatura digitale di immagini

Un algoritmo di marchiatura consente di introdurre all’interno di unaimmagine dell’informazione in modo che essa sia invisibile ad un osservatorema facilmente estraibile in fase di rivelazione.Sono stati analizzati in letteratura algoritmi che si adattassero agli obiettivi edai vincoli di interesse:

Lo scopo è autenticare immagini ⇒ marchio fragileNon si può compromettere l’originale ⇒ algoritmo reversibileNon devono essere trasmesse molte informazioni ⇒ bassa capacitàSi vuole alta qualità delle immagini marchiate ⇒ impercettibilità

Algoritmo di baseScelto l’algoritmo di Lee et al. (fragile, reversibile, capacità regolabile, basso impattopercettivo) per essere esteso ed adattato al dominio di interesse.

Autenticazione di immagini biomediche, in sistemi PACS gerarchici, tramite marchiatura reversibile

Page 24: Autenticazione di immagini biomediche in sistemi PACS gerarchici tramite marchiatura reversibile

Marchiatura reversibile

Sviluppo dell’algoritmo

L’immagine è elaborata a blocchi (es16×16 pixel), il marchio è introdottonei coefficienti wavelet HH di ciascunblocco (trasformata Le Gall 5/3int-to-int).

I coefficienti di un blocco possonoessere modificati in due modi:

1 LSB-change: modifica del bitmeno significativo

2 p-bit-shift: ogni coefficiente vienemoltiplicato per 2p, il marchio èintrodotto nei p bit-plane liberati

Per mantenere la reversibilità va impedito che i blocchi, dopo la marchiatura,contengano pixel al di fuori del range di valori dell’immagine (traboccamento).

Autenticazione di immagini biomediche, in sistemi PACS gerarchici, tramite marchiatura reversibile

Page 25: Autenticazione di immagini biomediche in sistemi PACS gerarchici tramite marchiatura reversibile

Marchiatura reversibile

Sviluppo dell’algoritmo

L’immagine è elaborata a blocchi (es16×16 pixel), il marchio è introdottonei coefficienti wavelet HH di ciascunblocco (trasformata Le Gall 5/3int-to-int).

I coefficienti di un blocco possonoessere modificati in due modi:

1 LSB-change: modifica del bitmeno significativo

2 p-bit-shift: ogni coefficiente vienemoltiplicato per 2p, il marchio èintrodotto nei p bit-plane liberati

Per mantenere la reversibilità va impedito che i blocchi, dopo la marchiatura,contengano pixel al di fuori del range di valori dell’immagine (traboccamento).

Autenticazione di immagini biomediche, in sistemi PACS gerarchici, tramite marchiatura reversibile

Page 26: Autenticazione di immagini biomediche in sistemi PACS gerarchici tramite marchiatura reversibile

Marchiatura reversibile

Sviluppo dell’algoritmo

L’immagine è elaborata a blocchi (es16×16 pixel), il marchio è introdottonei coefficienti wavelet HH di ciascunblocco (trasformata Le Gall 5/3int-to-int).

I coefficienti di un blocco possonoessere modificati in due modi:

1 LSB-change: modifica del bitmeno significativo

2 p-bit-shift: ogni coefficiente vienemoltiplicato per 2p, il marchio èintrodotto nei p bit-plane liberati

Per mantenere la reversibilità va impedito che i blocchi, dopo la marchiatura,contengano pixel al di fuori del range di valori dell’immagine (traboccamento).

Autenticazione di immagini biomediche, in sistemi PACS gerarchici, tramite marchiatura reversibile

Page 27: Autenticazione di immagini biomediche in sistemi PACS gerarchici tramite marchiatura reversibile

Marchiatura reversibile

Sviluppo dell’algoritmo

L’immagine è elaborata a blocchi (es16×16 pixel), il marchio è introdottonei coefficienti wavelet HH di ciascunblocco (trasformata Le Gall 5/3int-to-int).

I coefficienti di un blocco possonoessere modificati in due modi:

1 LSB-change: modifica del bitmeno significativo

2 p-bit-shift: ogni coefficiente vienemoltiplicato per 2p, il marchio èintrodotto nei p bit-plane liberati

Per mantenere la reversibilità va impedito che i blocchi, dopo la marchiatura,contengano pixel al di fuori del range di valori dell’immagine (traboccamento).

Autenticazione di immagini biomediche, in sistemi PACS gerarchici, tramite marchiatura reversibile

Page 28: Autenticazione di immagini biomediche in sistemi PACS gerarchici tramite marchiatura reversibile

Marchiatura reversibile

Sviluppo dell’algoritmo

L’immagine è elaborata a blocchi (es16×16 pixel), il marchio è introdottonei coefficienti wavelet HH di ciascunblocco (trasformata Le Gall 5/3int-to-int).

I coefficienti di un blocco possonoessere modificati in due modi:

1 LSB-change: modifica del bitmeno significativo

2 p-bit-shift: ogni coefficiente vienemoltiplicato per 2p, il marchio èintrodotto nei p bit-plane liberati

Per mantenere la reversibilità va impedito che i blocchi, dopo la marchiatura,contengano pixel al di fuori del range di valori dell’immagine (traboccamento).

Autenticazione di immagini biomediche, in sistemi PACS gerarchici, tramite marchiatura reversibile

Page 29: Autenticazione di immagini biomediche in sistemi PACS gerarchici tramite marchiatura reversibile

Marchiatura reversibile

Sviluppo dell’algoritmo

L’immagine è elaborata a blocchi (es16×16 pixel), il marchio è introdottonei coefficienti wavelet HH di ciascunblocco (trasformata Le Gall 5/3int-to-int).

I coefficienti di un blocco possonoessere modificati in due modi:

1 LSB-change: modifica del bitmeno significativo

2 p-bit-shift: ogni coefficiente vienemoltiplicato per 2p, il marchio èintrodotto nei p bit-plane liberati

Per mantenere la reversibilità va impedito che i blocchi, dopo la marchiatura,contengano pixel al di fuori del range di valori dell’immagine (traboccamento).

Autenticazione di immagini biomediche, in sistemi PACS gerarchici, tramite marchiatura reversibile

Page 30: Autenticazione di immagini biomediche in sistemi PACS gerarchici tramite marchiatura reversibile

Marchiatura reversibile

Novità introdotte

Le condizioni per determinare se un blocco è marchiabile sono state corrette inpiù stadi ⇒ rimossi i malfunzionamenti del lavoro originale.

L’algoritmo proposto sceglie quali blocchi dell’immagine marchiare e con chepotenza (valore di p) in base a due criteri:

1 Distorsione percettibile subita dal blocco2 Appartenenza a regione di interesse (ROI)

Qualità delle immagini marchiateL’algoritmo originale minimizza (ricerca esaustiva) il rumore introdotto dal marchiomisurato con il PSNR; questa metrica non cattura l’effettiva distorsione percettibile.L’algoritmo proposto sfrutta la metrica percettiva Structural SIMilarity, chestima la differenza strutturale tra due immagini.

Autenticazione di immagini biomediche, in sistemi PACS gerarchici, tramite marchiatura reversibile

Page 31: Autenticazione di immagini biomediche in sistemi PACS gerarchici tramite marchiatura reversibile

Marchiatura reversibile

Novità introdotte

Le condizioni per determinare se un blocco è marchiabile sono state corrette inpiù stadi ⇒ rimossi i malfunzionamenti del lavoro originale.

L’algoritmo proposto sceglie quali blocchi dell’immagine marchiare e con chepotenza (valore di p) in base a due criteri:

1 Distorsione percettibile subita dal blocco2 Appartenenza a regione di interesse (ROI)

Qualità delle immagini marchiateL’algoritmo originale minimizza (ricerca esaustiva) il rumore introdotto dal marchiomisurato con il PSNR; questa metrica non cattura l’effettiva distorsione percettibile.L’algoritmo proposto sfrutta la metrica percettiva Structural SIMilarity, chestima la differenza strutturale tra due immagini.

Autenticazione di immagini biomediche, in sistemi PACS gerarchici, tramite marchiatura reversibile

Page 32: Autenticazione di immagini biomediche in sistemi PACS gerarchici tramite marchiatura reversibile

Marchiatura reversibile

Selezione dei blocchi e distribuzione del payloadI blocchi da marchiare sono selezionati minimizzando la distorsionecomplessiva subita dall’immagine. Ad ogni blocco i marchiato con potenza p(pmin = 0, pmax = 2) è assegnato un costo Cp,i ed una capacità PLDi,p. Ladistribuzione del payload che minimizza la distorsione percettibiledell’immagine si ottiene risolvendo il problema:ProblemaObiettivo

min∑

i

[δi,1 ∗ C1,i + δi,2 ∗ C2,i ]

Vincoli ∑i

[δi,1 ∗ PLDi,1 + δi,2 ∗ PLDi,2] ≥ REQ

δi,1 + δi,2 ≤ 1δi,1, δi,2 ∈ {0, 1}

Il problema (di programmazione lineare intera) è NP-hard; è stata propostaun’euristica per ottenere una soluzione sub-ottima in tempi contenuti (< 0.2sec).

Autenticazione di immagini biomediche, in sistemi PACS gerarchici, tramite marchiatura reversibile

Page 33: Autenticazione di immagini biomediche in sistemi PACS gerarchici tramite marchiatura reversibile

Marchiatura reversibile

EuristicaProblema simile a quello dello zaino. Singolo oggetto oj : blocco i marchiatocon una potenza p ⇒ esistono oggetti incompatibili (δi,1 + δi,2 ≤ 1).Si genera una lista L assegnando a ciascun oggetto un indicatoref (oj) = CAPoj

Coj; si costruisce l’insieme S degli oggetti selezionati col seguente

algoritmo:

Algoritmo

sort(L) wrt f (·)S ← ∅while

∑oi ∈S

CAP(oi) < REQo← L(j)if @ ok ∈ S t.c. o è incompatibile con ok

S ← oelse

if f (ok) > f (o)S → oS ← ok

j = j + 1

PrestazioniVerificate con due tipi di esperimento:

1 Confronto tra le prestazionidell’algoritmo con ricerca esaustiva econ uso dell’euristica ⇒ PSNR quasiidentico (∆ < 0.5dB, ∼ 0.6%)

2 Confronto tra l’insieme S costruitodall’euristica e quello ottimo(ottenuto con un risolutore) ⇒soluzione obiettivo: 95% dell’ottima

Tempo impiegato: ∼ 0.1 secAutenticazione di immagini biomediche, in sistemi PACS gerarchici, tramite marchiatura reversibile

Page 34: Autenticazione di immagini biomediche in sistemi PACS gerarchici tramite marchiatura reversibile

Marchiatura reversibile

EuristicaProblema simile a quello dello zaino. Singolo oggetto oj : blocco i marchiatocon una potenza p ⇒ esistono oggetti incompatibili (δi,1 + δi,2 ≤ 1).Si genera una lista L assegnando a ciascun oggetto un indicatoref (oj) = CAPoj

Coj; si costruisce l’insieme S degli oggetti selezionati col seguente

algoritmo:

Algoritmo

sort(L) wrt f (·)S ← ∅while

∑oi ∈S

CAP(oi) < REQo← L(j)if @ ok ∈ S t.c. o è incompatibile con ok

S ← oelse

if f (ok) > f (o)S → oS ← ok

j = j + 1

PrestazioniVerificate con due tipi di esperimento:

1 Confronto tra le prestazionidell’algoritmo con ricerca esaustiva econ uso dell’euristica ⇒ PSNR quasiidentico (∆ < 0.5dB, ∼ 0.6%)

2 Confronto tra l’insieme S costruitodall’euristica e quello ottimo(ottenuto con un risolutore) ⇒soluzione obiettivo: 95% dell’ottima

Tempo impiegato: ∼ 0.1 secAutenticazione di immagini biomediche, in sistemi PACS gerarchici, tramite marchiatura reversibile

Page 35: Autenticazione di immagini biomediche in sistemi PACS gerarchici tramite marchiatura reversibile

Marchiatura reversibile

EuristicaProblema simile a quello dello zaino. Singolo oggetto oj : blocco i marchiatocon una potenza p ⇒ esistono oggetti incompatibili (δi,1 + δi,2 ≤ 1).Si genera una lista L assegnando a ciascun oggetto un indicatoref (oj) = CAPoj

Coj; si costruisce l’insieme S degli oggetti selezionati col seguente

algoritmo:

Algoritmo

sort(L) wrt f (·)S ← ∅while

∑oi ∈S

CAP(oi) < REQo← L(j)if @ ok ∈ S t.c. o è incompatibile con ok

S ← oelse

if f (ok) > f (o)S → oS ← ok

j = j + 1

PrestazioniVerificate con due tipi di esperimento:

1 Confronto tra le prestazionidell’algoritmo con ricerca esaustiva econ uso dell’euristica ⇒ PSNR quasiidentico (∆ < 0.5dB, ∼ 0.6%)

2 Confronto tra l’insieme S costruitodall’euristica e quello ottimo(ottenuto con un risolutore) ⇒soluzione obiettivo: 95% dell’ottima

Tempo impiegato: ∼ 0.1 secAutenticazione di immagini biomediche, in sistemi PACS gerarchici, tramite marchiatura reversibile

Page 36: Autenticazione di immagini biomediche in sistemi PACS gerarchici tramite marchiatura reversibile

Marchiatura reversibile

Selezione delle Regioni di Interesse

Si è realizzato un criterio semplice,applicabile a tutti i tipi di immaginibiomediche prese in esame e con bassaprobabilità di falsi negativi.

Assegnazione del costoIl costo di marchiatura è dato da:

Ci,p ={

1− SSIMi,p se i ∈ ROIdistanza dal bordo se i ∈ RONI

Viene privilegiata la marchiatura dei blocchi di non interesse, partendo da quellivicini ai bordi.

Autenticazione di immagini biomediche, in sistemi PACS gerarchici, tramite marchiatura reversibile

Page 37: Autenticazione di immagini biomediche in sistemi PACS gerarchici tramite marchiatura reversibile

Marchiatura reversibile

Selezione delle Regioni di Interesse

Si è realizzato un criterio semplice,applicabile a tutti i tipi di immaginibiomediche prese in esame e con bassaprobabilità di falsi negativi.

Assegnazione del costoIl costo di marchiatura è dato da:

Ci,p ={

1− SSIMi,p se i ∈ ROIdistanza dal bordo se i ∈ RONI

Viene privilegiata la marchiatura dei blocchi di non interesse, partendo da quellivicini ai bordi.

Autenticazione di immagini biomediche, in sistemi PACS gerarchici, tramite marchiatura reversibile

Page 38: Autenticazione di immagini biomediche in sistemi PACS gerarchici tramite marchiatura reversibile

Marchiatura reversibile

Riepilogo funzionamentoData un’immagine I ed un payload PLD si esegue l’algoritmo:

1 Trasformata wavelet2 Analisi marchiabilità

blocchi3 Ricerca ROI e RONI4 Scelta blocchi per

inserimento5 Embedding

EstrazionePiù semplice e veloce: nonrichiede calcolo della SSIM nédistribuzione adattiva delpayload. Il ripristinodell’originale è garantito sel’immagine non ha subitoalterazioni.

Autenticazione di immagini biomediche, in sistemi PACS gerarchici, tramite marchiatura reversibile

Page 39: Autenticazione di immagini biomediche in sistemi PACS gerarchici tramite marchiatura reversibile

Marchiatura reversibile

Riepilogo funzionamentoData un’immagine I ed un payload PLD si esegue l’algoritmo:

1 Trasformata wavelet2 Analisi marchiabilità

blocchi3 Ricerca ROI e RONI4 Scelta blocchi per

inserimento5 Embedding

EstrazionePiù semplice e veloce: nonrichiede calcolo della SSIM nédistribuzione adattiva delpayload. Il ripristinodell’originale è garantito sel’immagine non ha subitoalterazioni.

Autenticazione di immagini biomediche, in sistemi PACS gerarchici, tramite marchiatura reversibile

Page 40: Autenticazione di immagini biomediche in sistemi PACS gerarchici tramite marchiatura reversibile

Marchiatura reversibile

Riepilogo funzionamentoData un’immagine I ed un payload PLD si esegue l’algoritmo:

1 Trasformata wavelet2 Analisi marchiabilità

blocchi3 Ricerca ROI e RONI4 Scelta blocchi per

inserimento5 Embedding

EstrazionePiù semplice e veloce: nonrichiede calcolo della SSIM nédistribuzione adattiva delpayload. Il ripristinodell’originale è garantito sel’immagine non ha subitoalterazioni.

Autenticazione di immagini biomediche, in sistemi PACS gerarchici, tramite marchiatura reversibile

Page 41: Autenticazione di immagini biomediche in sistemi PACS gerarchici tramite marchiatura reversibile

Marchiatura reversibile

Riepilogo funzionamentoData un’immagine I ed un payload PLD si esegue l’algoritmo:

1 Trasformata wavelet2 Analisi marchiabilità

blocchi3 Ricerca ROI e RONI4 Scelta blocchi per

inserimento5 Embedding

EstrazionePiù semplice e veloce: nonrichiede calcolo della SSIM nédistribuzione adattiva delpayload. Il ripristinodell’originale è garantito sel’immagine non ha subitoalterazioni.

Autenticazione di immagini biomediche, in sistemi PACS gerarchici, tramite marchiatura reversibile

Page 42: Autenticazione di immagini biomediche in sistemi PACS gerarchici tramite marchiatura reversibile

Marchiatura reversibile

Riepilogo funzionamentoData un’immagine I ed un payload PLD si esegue l’algoritmo:

1 Trasformata wavelet2 Analisi marchiabilità

blocchi3 Ricerca ROI e RONI4 Scelta blocchi per

inserimento5 Embedding

EstrazionePiù semplice e veloce: nonrichiede calcolo della SSIM nédistribuzione adattiva delpayload. Il ripristinodell’originale è garantito sel’immagine non ha subitoalterazioni.

Autenticazione di immagini biomediche, in sistemi PACS gerarchici, tramite marchiatura reversibile

Page 43: Autenticazione di immagini biomediche in sistemi PACS gerarchici tramite marchiatura reversibile

Marchiatura reversibile

Riepilogo funzionamentoData un’immagine I ed un payload PLD si esegue l’algoritmo:

1 Trasformata wavelet2 Analisi marchiabilità

blocchi3 Ricerca ROI e RONI4 Scelta blocchi per

inserimento5 Embedding

EstrazionePiù semplice e veloce: nonrichiede calcolo della SSIM nédistribuzione adattiva delpayload. Il ripristinodell’originale è garantito sel’immagine non ha subitoalterazioni.

Autenticazione di immagini biomediche, in sistemi PACS gerarchici, tramite marchiatura reversibile

Page 44: Autenticazione di immagini biomediche in sistemi PACS gerarchici tramite marchiatura reversibile

Marchiatura reversibile

Riepilogo funzionamentoData un’immagine I ed un payload PLD si esegue l’algoritmo:

1 Trasformata wavelet2 Analisi marchiabilità

blocchi3 Ricerca ROI e RONI4 Scelta blocchi per

inserimento5 Embedding

EstrazionePiù semplice e veloce: nonrichiede calcolo della SSIM nédistribuzione adattiva delpayload. Il ripristinodell’originale è garantito sel’immagine non ha subitoalterazioni.

Autenticazione di immagini biomediche, in sistemi PACS gerarchici, tramite marchiatura reversibile

Page 45: Autenticazione di immagini biomediche in sistemi PACS gerarchici tramite marchiatura reversibile

Autenticazione di esami

Sommario

1 Scenario

2 Marchiatura reversibile

3 Autenticazione di esami

4 Risultati sperimentali

Autenticazione di immagini biomediche, in sistemi PACS gerarchici, tramite marchiatura reversibile

Page 46: Autenticazione di immagini biomediche in sistemi PACS gerarchici tramite marchiatura reversibile

Autenticazione di esami

Autenticazione di interi esamiScopo dell’integrazione è autenticare esami. Ogni esame può essere compostodi oltre 400 immagini ⇒ troppo oneroso marchiarle tutte.

Modalità Num. Imm. Pixel per imm.CT ∼ 400 ∼ 2.5 ∗ 105

MR ∼ 400 ∼ 6.5 ∗ 104

CR ∼ 5 ∼ 4 ∗ 106

Marchiatura multi-sliceOgni immagine viene autenticata,soltanto alcune immagini vengonomarchiate

Richiede un overheadtrascurabileRiduce il tempo di marchiatura /verifica

Il tempo per la marchiatura di un esame (di qualsiasi tipo) è inferiore ai 30secondi, mentre l’estrazione richiede meno di 15 secondi ⇒ vincolo di temposoddisfatto.ParametriL’algoritmo sceglie automaticamente tutti i parametri che regolano la marchiatura ela detection ⇒ non è richiesta supervisione di personale

Autenticazione di immagini biomediche, in sistemi PACS gerarchici, tramite marchiatura reversibile

Page 47: Autenticazione di immagini biomediche in sistemi PACS gerarchici tramite marchiatura reversibile

Autenticazione di esami

Autenticazione di interi esamiScopo dell’integrazione è autenticare esami. Ogni esame può essere compostodi oltre 400 immagini ⇒ troppo oneroso marchiarle tutte.

Marchiatura multi-sliceOgni immagine viene autenticata,soltanto alcune immagini vengonomarchiate

Richiede un overheadtrascurabileRiduce il tempo di marchiatura /verifica

Il tempo per la marchiatura di un esame (di qualsiasi tipo) è inferiore ai 30secondi, mentre l’estrazione richiede meno di 15 secondi ⇒ vincolo di temposoddisfatto.ParametriL’algoritmo sceglie automaticamente tutti i parametri che regolano la marchiatura ela detection ⇒ non è richiesta supervisione di personale

Autenticazione di immagini biomediche, in sistemi PACS gerarchici, tramite marchiatura reversibile

Page 48: Autenticazione di immagini biomediche in sistemi PACS gerarchici tramite marchiatura reversibile

Autenticazione di esami

Autenticazione di interi esamiScopo dell’integrazione è autenticare esami. Ogni esame può essere compostodi oltre 400 immagini ⇒ troppo oneroso marchiarle tutte.

Marchiatura multi-sliceOgni immagine viene autenticata,soltanto alcune immagini vengonomarchiate

Richiede un overheadtrascurabileRiduce il tempo di marchiatura /verifica

Il tempo per la marchiatura di un esame (di qualsiasi tipo) è inferiore ai 30secondi, mentre l’estrazione richiede meno di 15 secondi ⇒ vincolo di temposoddisfatto.ParametriL’algoritmo sceglie automaticamente tutti i parametri che regolano la marchiatura ela detection ⇒ non è richiesta supervisione di personale

Autenticazione di immagini biomediche, in sistemi PACS gerarchici, tramite marchiatura reversibile

Page 49: Autenticazione di immagini biomediche in sistemi PACS gerarchici tramite marchiatura reversibile

Autenticazione di esami

Autenticazione di interi esamiScopo dell’integrazione è autenticare esami. Ogni esame può essere compostodi oltre 400 immagini ⇒ troppo oneroso marchiarle tutte.

Marchiatura multi-sliceOgni immagine viene autenticata,soltanto alcune immagini vengonomarchiate

Richiede un overheadtrascurabileRiduce il tempo di marchiatura /verifica

Il tempo per la marchiatura di un esame (di qualsiasi tipo) è inferiore ai 30secondi, mentre l’estrazione richiede meno di 15 secondi ⇒ vincolo di temposoddisfatto.ParametriL’algoritmo sceglie automaticamente tutti i parametri che regolano la marchiatura ela detection ⇒ non è richiesta supervisione di personale

Autenticazione di immagini biomediche, in sistemi PACS gerarchici, tramite marchiatura reversibile

Page 50: Autenticazione di immagini biomediche in sistemi PACS gerarchici tramite marchiatura reversibile

Autenticazione di esami

Proposta di integrazione

Avendo a disposizione un tale strumento, l’architettura potrebbe essere cosìintegrata:

Interazione

Fase di creazione: prima diuscire dal presidio, l’esame vieneprotetto col softwareFasi di verifica: l’integrità vieneaccertata:

1 prima dell’acquisizione nelPACS

2 prima del consolidamento3 prima/durante il download

(dipende dall’urgenzadell’accesso ai dati)

Autenticazione di immagini biomediche, in sistemi PACS gerarchici, tramite marchiatura reversibile

Page 51: Autenticazione di immagini biomediche in sistemi PACS gerarchici tramite marchiatura reversibile

Autenticazione di esami

Proposta di integrazione

Avendo a disposizione un tale strumento, l’architettura potrebbe essere cosìintegrata:

Interazione

Fase di creazione: prima diuscire dal presidio, l’esame vieneprotetto col softwareFasi di verifica: l’integrità vieneaccertata:

1 prima dell’acquisizione nelPACS

2 prima del consolidamento3 prima/durante il download

(dipende dall’urgenzadell’accesso ai dati)

Autenticazione di immagini biomediche, in sistemi PACS gerarchici, tramite marchiatura reversibile

Page 52: Autenticazione di immagini biomediche in sistemi PACS gerarchici tramite marchiatura reversibile

Autenticazione di esami

Proposta di integrazione

Avendo a disposizione un tale strumento, l’architettura potrebbe essere cosìintegrata:

Interazione

Fase di creazione: prima diuscire dal presidio, l’esame vieneprotetto col softwareFasi di verifica: l’integrità vieneaccertata:

1 prima dell’acquisizione nelPACS

2 prima del consolidamento3 prima/durante il download

(dipende dall’urgenzadell’accesso ai dati)

Autenticazione di immagini biomediche, in sistemi PACS gerarchici, tramite marchiatura reversibile

Page 53: Autenticazione di immagini biomediche in sistemi PACS gerarchici tramite marchiatura reversibile

Autenticazione di esami

Proposta di integrazioneAvendo a disposizione un tale strumento, l’architettura potrebbe essere cosìintegrata:

Interazione

Fase di creazione: prima diuscire dal presidio, l’esame vieneprotetto col softwareFasi di verifica: l’integrità vieneaccertata:

1 prima dell’acquisizione nelPACS

2 prima del consolidamento3 prima/durante il download

(dipende dall’urgenzadell’accesso ai dati)

Autenticazione di immagini biomediche, in sistemi PACS gerarchici, tramite marchiatura reversibile

Page 54: Autenticazione di immagini biomediche in sistemi PACS gerarchici tramite marchiatura reversibile

Risultati sperimentali

Sommario

1 Scenario

2 Marchiatura reversibile

3 Autenticazione di esami

4 Risultati sperimentali

Autenticazione di immagini biomediche, in sistemi PACS gerarchici, tramite marchiatura reversibile

Page 55: Autenticazione di immagini biomediche in sistemi PACS gerarchici tramite marchiatura reversibile

Risultati sperimentali

Risultati sperimentali

Dataset: 2167 immagini, 9 esami.Confronto tra l’algoritmo propostoe il lavoro di Lee et al. su:

1 Qualità immagini marchiate aparità di payload (∼ 0.1 bpp)

Prestazioni superiori sullemetriche percettivePrestazioni paragonabili sulPSNR

Autenticazione di immagini biomediche, in sistemi PACS gerarchici, tramite marchiatura reversibile

Page 56: Autenticazione di immagini biomediche in sistemi PACS gerarchici tramite marchiatura reversibile

Risultati sperimentali

Risultati sperimentali

Dataset: 2167 immagini, 9 esami.Confronto tra l’algoritmo propostoe il lavoro di Lee et al. su:

2 Capacità raggiunta a parità diqualità

SSIM molto più “stabile”Parità di qualità percettivacon un payload 5 voltemaggiore

Autenticazione di immagini biomediche, in sistemi PACS gerarchici, tramite marchiatura reversibile

Page 57: Autenticazione di immagini biomediche in sistemi PACS gerarchici tramite marchiatura reversibile

Risultati sperimentali

Risultati sperimentali

Dataset: 2167 immagini, 9 esami.Confronto tra l’algoritmo propostoe il lavoro di Lee et al. su:

2 Capacità raggiunta a parità diqualità

SSIM molto più “stabile”Parità di qualità percettivacon un payload 5 voltemaggiore

Autenticazione di immagini biomediche, in sistemi PACS gerarchici, tramite marchiatura reversibile

Page 58: Autenticazione di immagini biomediche in sistemi PACS gerarchici tramite marchiatura reversibile

Risultati sperimentali

Risultati sperimentali

Dataset: 2167 immagini, 9 esami.Confronto tra l’algoritmo propostoe il lavoro di Lee et al. su:

3 Affidabilità dell’algoritmo

No O/U-FlowModalità Lee et al. Proposto

CT 100 % 100 %MR 93,16 % 100 %CR 81,25% 100 %

Recupero orig.Modalità Lee et al. Proposto

CT 77,27% 100 %MR 66,54 % 100 %CR 100 % 100 %

Recupero payloadModalità Lee et al. Proposto

CT 77,33% 100 %MR 66,92 % 100 %CR 100 % 100 %

Autenticazione di immagini biomediche, in sistemi PACS gerarchici, tramite marchiatura reversibile

Page 59: Autenticazione di immagini biomediche in sistemi PACS gerarchici tramite marchiatura reversibile

Risultati sperimentali

Risultati sperimentali

Dataset: 2167 immagini, 9 esami.Confronto tra l’algoritmo propostoe il lavoro di Lee et al. su:

4 Valutazione visivaImmagini tomografichegiudicate adatte allaconsultazioneImmagini radiografichegiudicate di qualitàparagonabile all’originale

Autenticazione di immagini biomediche, in sistemi PACS gerarchici, tramite marchiatura reversibile

Page 60: Autenticazione di immagini biomediche in sistemi PACS gerarchici tramite marchiatura reversibile

Risultati sperimentali

Conclusioni

Questo lavoro di tesi propone l’utilizzo della marchiatura reversibile perincrementare la sicurezza dei dati nei sistemi per la gestione di immaginibiomediche.

I contributi apportati dal lavoro sono:Analisi dello scenario e delle criticità per l’integrità dei datiSviluppo di un algoritmo di marchiatura per bioimmagini provenienti dadiverse modalitàProposta di integrazione dell’architettura con l’algoritmo realizzato

Autenticazione di immagini biomediche, in sistemi PACS gerarchici, tramite marchiatura reversibile

Page 61: Autenticazione di immagini biomediche in sistemi PACS gerarchici tramite marchiatura reversibile

Risultati sperimentali

Autenticazione di immagini biomedichein sistemi PACS gerarchici

tramite marchiatura reversibile

Marco Fontani

Università degli Studi di Firenze, Facoltà di Ingegneria

21 Aprile 2010

Autenticazione di immagini biomediche, in sistemi PACS gerarchici, tramite marchiatura reversibile