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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
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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
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
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
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
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
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
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
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.
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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.
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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
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
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.
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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.
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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.
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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
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
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
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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
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
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
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
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
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.
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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
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).
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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).
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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).
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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).
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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
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.
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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.
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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
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
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
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
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.
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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.
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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.
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Marchiatura reversibile
Riepilogo funzionamentoData un’immagine I ed un payload PLD si esegue l’algoritmo:
1 Trasformata wavelet2 Analisi marchiabilità
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EstrazionePiù semplice e veloce: nonrichiede calcolo della SSIM nédistribuzione adattiva delpayload. Il ripristinodell’originale è garantito sel’immagine non ha subitoalterazioni.
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Riepilogo funzionamentoData un’immagine I ed un payload PLD si esegue l’algoritmo:
1 Trasformata wavelet2 Analisi marchiabilità
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EstrazionePiù semplice e veloce: nonrichiede calcolo della SSIM nédistribuzione adattiva delpayload. Il ripristinodell’originale è garantito sel’immagine non ha subitoalterazioni.
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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
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EstrazionePiù semplice e veloce: nonrichiede calcolo della SSIM nédistribuzione adattiva delpayload. Il ripristinodell’originale è garantito sel’immagine non ha subitoalterazioni.
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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.
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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.
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Riepilogo funzionamentoData un’immagine I ed un payload PLD si esegue l’algoritmo:
1 Trasformata wavelet2 Analisi marchiabilità
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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
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
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
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
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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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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