CN115206496A - 一种心血管检测数据的实时传输方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及数据处理领域，具体设计一种心血管检测数据的实时传输方法。采集心血管造影灰度图像；建立七层完全二叉树并设定每一层二叉树节点的二进制码字；将二叉树每一层节点的二进制码字分配给每个像素值对应的像素点；将像素点的八位二进制码字转换为十进制，得到该像素点加密像素值；当像素点的二进制码字小于八位时，设定二进制水印编码将该像素点对应的二进制码字补充至八位；构建位数序列并进行加密得到密钥；将心血管造影灰度图像中每个像素点的八位二进制码字转换为十进制，得到加密图像；将加密图像以及密钥传输至接收方。本发明通过构建二叉树结合水印嵌入对像素点的像素值进行转化从而实现图像加密，保证了图像内容的安全性。

Description

一种心血管检测数据的实时传输方法

技术领域

本发明涉及数据处理领域，具体涉及一种心血管检测数据的实时传输方法。

背景技术

心血管疾病是当今发达国家死亡率占第一的重要疾病，在我国也是死亡率最高的一类疾病，世界卫生组织已将其列为21世纪危害人类健康的头号杀手，患者在就医时通常需要在医院的各个科室进行多次就诊检查，在此过程中各个科室的医生均需要根据患者的心血管检测数据进行参考；目前大多数医院已经可以实现将病人的检测数据从检测端向各个科室传输，但是在此过程中，患者的心血管检测数据，包括患者的个人信息(如姓名、年龄、性别、体重和账单信息)、健康状况、心血管造影图像和治疗药物等被多次进行传输，为了保护患者的个人隐私以及医院内的保密需求，因此需要对传输的信息进行加密。

现有的数据文件加密传输方法在进行数据的传输的时候大部分都是采用一次直接加密，其安全性较低，容易被攻击和破解，目前的很多对图像进行加密的密码算法，对图像插入水印后像素点之间仍然存在关联性，对图像进行矩阵置乱通常存在算法复杂以及运算轮数较多的问题，无法适用于实时传输过程中，仅利用AES高级加密算法对图像进行加密，生成的密钥在发送过程中如果被窃取，也会导致图像的内容泄露，因此需要一种算法较简单，安全性高且能够满足实时传输的图像加密方法。

因此，本发明提出了一种心血管检测数据的实时传输方法，通过设定编码结合水印编码嵌入对图像进行加密，保证了传输安全性的同时能够满足实时传输的效率要求。

发明内容

本发明提供一种心血管检测数据的实时传输方法，以解决现有的问题，包括：采集心血管造影灰度图像；建立七层完全二叉树并设定每一层二叉树节点的二进制码字；将二叉树每一层节点的二进制码字分配给每个像素值对应的像素点；将像素点的八位二进制码字转换为十进制，得到该像素点加密像素值；当像素点的二进制码字小于八位时，设定二进制水印编码将该像素点对应的二进制码字补充至八位；构建位数序列并进行加密得到密钥；将心血管造影灰度图像中每个像素点的八位二进制码字转换为十进制，得到加密图像；将加密图像以及密钥传输至接收方。

根据本发明提出的技术手段，通过设定不同长度的码字，并根据图像中像素点的像素值概率进行码字分配，能够打破像素点加密的规律性，同时对不同长度的码字补充二进制水印，使得加密后像素点的像素值更加复杂，即不同的像素值可能转换为相同的像素值，而相同的像素值转换为了不同的像素值，同时根据补充的二进制水印生成密钥，保证接收端能够验证图像的内容，提高了图像传输的安全性；而根据密钥对图像进行还原时还需参考本发明中的码字分配方法，才能得到还原后的图像，保证了即使传输过程中密钥被窃取也不会造成内容泄露，起到保护患者隐私的作用；同时本发明所用编码方式简单、高效，仅通过建立二叉树即可实现对图像中像素点的加密编码，因此能够实现医疗过程中的实时传输。

本发明采用如下技术方案，一种心血管检测数据的实时传输方法，包括：

采集心血管造影灰度图像；

建立七层完全二叉树，根据完全二叉树的层数设定每一层二叉树节点的二进制码字。

获取心血管造影灰度图像中每个像素值的概率，根据心血管造影灰度图像中每个像素值的概率将二叉树每一层节点的二进制码字分配给每个像素值对应的像素点，得到心血管造影灰度图像中每个像素点的二进制码字。

所述心血管造影灰度图像中每个像素点的二进制码字为八位二进制码字或小于八位的二进制码字。

设定二进制水印编码，对于二进制码字小于八位的像素点，选取二进制水印编码中相应位数的编码将该像素点的二进制码字补充至八位；依次将心血管造影灰度图像中所有二进制码字小于八位的像素点补充至八位。

依次获取心血管造影灰度图像中所有进行码字补充的像素点以及对应补充的水印编码位数，并根据像素点的顺序以及对应补充的水印编码位数构建位数序列，利用AES加密算法对位数序列进行加密得到密钥。

将心血管造影灰度图像中每个像素点的八位二进制码字转换为十进制，得到加密图像；将加密图像以及密钥传输至接收方。

进一步的，一种心血管检测数据的实时传输方法，设定每一层二叉树节点的二进制码字的方法为：

建立七层完全二叉树，获取二叉树中每一层的所有节点；

将每一层的层数作为对应层节点的二进制码字长度，从左到右依次对每一层的节点设定二进制码字。

进一步的，一种心血管检测数据的实时传输方法，将二叉树每一层节点的二进制码字分配给每个像素值对应的像素点的方法为：

获取心血管造影灰度图像中所有像素点的像素值，计算每个像素值在心血管造影灰度图像中的概率；

根据像素值从大到小，依次对每个像素值对应的所有像素点从二叉树的第一层开始从左到右分配二进制码字。

进一步的，一种心血管检测数据的实时传输方法，对每个像素值对应的像素点分配码字的方法还包括：

若根据像素值的概率大小对心血管造影灰度图像中的像素点进行二进制码字分配后，存在未分配码字的像素点，设定码字00000000和11111111作为未分配码字像素点的二进制码字。

进一步的，一种心血管检测数据的实时传输方法，选取二进制水印编码中相应位数的编码将该像素点的二进制码字补充至八位的方法为：

当像素点的二进制码字小于八位时，获取对应像素点需要补充的码字位数，从二进制水印编码中从左到右选取对应位数的水印编码，将选取的水印编码补充到像素点的二进制码字之前；

依次获取心血管造影灰度图像中每个二进制码字小于八位的像素点，循环选取二进制水印编码对每个二进制码字小于八位的像素点进行补充，直至心血管造影灰度图像中所有像素点的二进制码字均为八位。

进一步的，一种心血管检测数据的实时传输方法，根据补充的水印编码位数构建位数序列的方法为：

依次获取心血管造影灰度图像中码字位数小于八位的像素点，及其补充的水印编码位数，并按照像素点顺序将对应补充的水印编码位数进行排列，得到心血管造影灰度图像的位数序列。

进一步的，一种心血管检测数据的实时传输方法，将加密图像以及密钥传输至接收方之后，还包括：

接收方将加密图像中的每个像素点的像素值还原为八位二进制码字，根据密钥对八位二进制码字进行还原，得到原图像中每个像素点的码字；

根据七层完全二叉树将原图像中每个像素点的码字还原为像素值，得到还原后的心血管造影灰度图像。

本发明的有益效果是：根据本发明提出的技术手段，通过设定不同长度的码字，并根据图像中像素点的像素值概率进行码字分配，能够打破像素点加密的规律性，同时对不同长度的码字补充二进制水印，使得加密后像素点的像素值更加复杂，即不同的像素值可能转换为相同的像素值，而相同的像素值转换为了不同的像素值，同时根据补充的二进制水印生成密钥，保证接收端能够验证图像的内容，提高了图像传输的安全性；而根据密钥对图像进行还原时还需参考本发明中的码字分配方法，才能得到还原后的图像，保证了即使传输过程中密钥被窃取也不会造成内容泄露，起到保护患者隐私的作用；同时本发明所用编码方式简单、高效，仅通过建立二叉树即可实现对图像中像素点的加密编码，因此能够实现医疗过程中的实时传输。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例的一种心血管检测数据的实时传输方法结构示意图；

图2为本发明实施例的一种七层二叉树及每层二叉树的码字示意图；

图3本发明实施例的一种加密流程示意图；

图4为本发明实施例的一种解密流程示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，给出了本发明实施例的一种心血管检测数据的实时传输方法结构示意图，包括：

101.采集心血管造影灰度图像。

心血管造影图像是在X光线影像的引导下，将导管经股动脉穿入心脏，在冠状动脉入口处注射造影剂，使心脏血管成像，经过了人体对X光衰减、影像增强、光学聚焦、光电转换、放大及模数转换等变换获得的；

本发明采集数字图像的设备包括硬件和软件两部分，硬件部分包括：X光设备、X线点蚀系统和计算机图像采集系统，其主要组成有：管球、影像增强器、光学成像镜头、摄像机、监视器、A/D转换卡以及计算机；软件部分是与转化卡相配的实行采集、存储、回放的程序。

通过上述设备采集心血管造影图像，并对图像进行灰度化处理，得到心血管造影灰度图像。

102.建立七层完全二叉树，根据完全二叉树的层数设定每一层二叉树节点的二进制码字。

本发明对心血管造影图像进行编码，记为明文图像，明文图像为心血管造影灰度图像，明文像素的明文像素值的取值范围为[0,255]，需要对[0,255]范围内256个明文像素值进行编码，因此本发明构建7层完全二叉树，如图2所示，7层完全二叉树的第β层有2^β个二叉树节点，第β层的每个二叉树节点对应一个码长为β的码字，则7层完全二叉树包含2¹+2²+2³+2⁴+2⁵+2⁶+2⁷＝254种码字。

设定每一层二叉树节点的二进制码字的方法为：

建立七层完全二叉树，获取二叉树中每一层的所有节点；

将每一层的层数作为对应层节点的二进制码字长度，从左到右依次对每一层的节点设定二进制码字。

103.获取心血管造影灰度图像中每个像素值的概率，根据心血管造影灰度图像中每个像素值的概率将二叉树每一层节点的二进制码字分配给每个像素值对应的像素点，得到心血管造影灰度图像中每个像素点的二进制码字。

将二叉树每一层节点的二进制码字分配给每个像素值对应的像素点的方法为：

获取心血管造影灰度图像中所有像素点的像素值，计算每个像素值在心血管造影灰度图像中的概率；

根据像素值从大到小，依次对每个像素值对应的所有像素点从二叉树的第一层开始从左到右分配二进制码字。

对每个像素值对应的像素点分配码字的方法还包括：

若根据像素值的概率大小对心血管造影灰度图像中的像素点进行二进制码字分配后，存在未分配码字的像素点，设定码字00000000和11111111作为未分配码字像素点的二进制码字。

本发明为了提高密文图像的安全性，需要水印的嵌入量最大化，因此，本发明给概率越大的像素值分配越短的码字，概率越小的像素值分配越长的码字，而水印的嵌入量取决于像素值编码后码字的码长，码长越长，则水印的嵌入量越少，码长越短，则水印的嵌入量越多，以此提高水印嵌入量，进而提高了密文图像的敏感性，最终提高了心血管造影图像的密文图像的安全性。

其中的概率为心血管造影图像中每种像素值的概率，对于本发明中的七层二叉树，共有254种码字，无法完全包括所有像素值的类型，因此本发明引入码字00000000和11111111，并将码字00000000和11111111分配概率最小的两个像素值，其余像素值按照概率从大到小，依次按照完全二叉树的第1到7层的每一层的码字进行编码，例如概率最大的两个像素值的编码分别为完全二叉树的第1层对应的码字0和1，依次类推。

104.设定二进制水印编码，对于二进制码字小于八位的像素点，选取二进制水印编码中相应位数的编码将该像素点的二进制码字补充至八位；依次将心血管造影灰度图像中所有二进制码字小于八位的像素点补充至八位。

对于二进制码字为八位的像素点，其相当于像素值概率最低，因此在图像中出现的次数几乎可以忽略，所以将其对应的八位二进制码字转换为十进制后，其对应的像素值为0或255。

根据二进制水印编码将像素点对应的二进制码字补充至八位的方法为：

当像素点的二进制码字小于八位时，获取对应像素点需要补充的码字位数，从二进制水印编码中从左到右选取对应位数的水印编码，将选取的水印编码补充到像素点的二进制码字之前；

依次判断心血管造影灰度图像中每个像素点的二进制码字，循环选取二进制水印编码对每个像素点的二进制码字进行补充，直至心血管造影灰度图像中所有像素点的二进制码字均为八位。

本发明对于码字长度小于八位的像素点通过嵌入水印将其转换为8位二进制的中转码，因此嵌入的水印信息为二值水印，即该水印信息是有0和1组成的，且水印信息的长度为L。

根据编码方式，将明文像素的明文像素值转换为对应的码字b_i…b₁，其中i≤8；

根据水印信息，嵌入水印s₈…s_i+1，获得对应的8位二进制字典中转码s₈…s_i+1b_i…b₁；对应的水印的位数为8-i。

例如，首先设定二进制水印为101010，则从心血管造影灰度图像中的第一个像素点开始筛选，若第一个像素点的码字为011时，则对其进行补充，其需补充的位数为五位，因此从左到右选择二进制水印中的五位补充至第一个像素点的码字中，补充后该像素点的八位二进制码字为10101011。

接着筛选第二个像素点，若第二个像素点的码字为1001时，其需要补充的位数为四位，则从二进制水印中上个像素点补充后的位数开始选择，当水印长度不够时，则对水印进行循环选择，据此得到第二个像素点补充后的水印为01011001。

由于中转码为8位二进制数，因此，有2⁸＝256种中转码，[0,255]范围内的密文像素值也为256个，可能的解码方式有256！种，为了保证接收端能够将密文图像还原为明文图像，需要在传输前，将解码方式存储在发送端和接收端。

105.获取心血管造影灰度图像中所有进行码字补充的像素点以及对应补充的水印编码位数，并根据补充的水印编码位数构建位数序列，利用AES加密算法对位数序列进行加密得到密钥。

根据补充的水印编码位数构建位数序列的方法为：

依次获取心血管造影灰度图像中码字位数小于八位的像素点，及其补充的水印编码位数，并按照像素点顺序将对应补充的水印编码位数进行排列，得到心血管造影灰度图像的位数序列。

根据上述步骤，可以得到每个需要补充码字像素点对应补充的水印位数，例如第一个像素点补充位数为5，第二个像素点补充位数为4，第三个像素点补充位数为4等，最终建立对应的位数序列。本发明通过AES加密算法对位数序列进行加密，获得密钥。

106.将心血管造影灰度图像中每个像素点的八位二进制码字转换为十进制，得到加密图像；将加密图像以及密钥传输至接收方。

本发明的传输过程如图3所示，通过上述记载的编码方式，构建七层完全二叉树以及每个节点的码字，并根据像素值的概率对每个像素值对应的所有像素点进行编码，如图3中所示，对于像素值为10的像素点，对该像素值对应的像素点分配的码字为010，该像素值分配的码字为三位，因此需要嵌入二进制水印将码字补充至八位，图中补充的水印编码为00110，该二进制水印编码可根据实施情况具体设定，由此得到每个像素点的八位二进制码字，将八位二进制码字转换为十进制，得到加密后的像素值为38，通过对所有像素点进行码字分配、补充，最终得到每个像素点的加密像素值，从而最终得到加密图像。

在加密过程中，将每个像素点补充的二进制水印编码的位数进行保存，并构建长度序列(即位数序列)，利用AES加密算法即可将位数序列转化为加密序列，从而作为密钥和加密图像一起发送至接收端。

将加密图像以及密钥传输至接收方之后，还包括：

接收方将加密图像中的每个像素点的像素值还原为八位二进制码字，根据密钥对八位二进制码字进行还原，得到原图像中每个像素点的码字；

根据七层完全二叉树将原图像中每个像素点的码字还原为像素值，得到还原后的心血管造影灰度图像。

还原过程如图4所示，其与加密过程相反，根据解码方式，将密文像素的密文像素值转换为对应的中转码a₈…a₁；根据AES解密算法对密钥进行解密，获得位数序列；根据位数序列对应的位数j，将码字a₈…a₁转换为水印a₈…a_j+1和码字a_j…a₁，根据编码方式将码字转换为明文像素值；根据解码方式，将中转码转换为明文像素值，进而将密文图像还原为明文图像，同时将水印按照顺序组成水印序列。

还原后，根据密钥还原的水印序列可以对原图像进行验证，即提取的水印序列转换为多个长度为L的验证序列，与嵌入的水印信息进行比较，计算验证序列和水印信息的汉明距离，若距离小于0.9L，则说明密文图像被篡改。

同时本发明中对像素点分配码字的方法为预先设定，即接收端与发送端均预先记载了对水印进行加密或解密的方法，因此保证了及时传输过程中加密图像和密钥被窃取，窃取者根据水印仅可以还原至每个像素点对应的码字，但无法根据码字还原该像素点的真实像素值，进一步能够保证加密过程中的安全性。

根据本发明提出的技术手段，通过设定不同长度的码字，并根据图像中像素点的像素值概率进行码字分配，能够打破像素点加密的规律性，同时对不同长度的码字补充二进制水印，使得加密后像素点的像素值更加复杂，即不同的像素值可能转换为相同的像素值，而相同的像素值转换为了不同的像素值，同时根据补充的二进制水印生成密钥，保证接收端能够验证图像的内容，提高了图像传输的安全性；而根据密钥对图像进行还原时还需参考本发明中的码字分配方法，才能得到还原后的图像，保证了即使传输过程中密钥被窃取也不会造成内容泄露，起到保护患者隐私的作用；同时本发明所用编码方式简单、高效，仅通过建立二叉树即可实现对图像中像素点的加密编码，因此能够实现医疗过程中的实时传输。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种心血管检测数据的实时传输方法，其特征在于，

采集心血管造影灰度图像；

建立七层完全二叉树，根据完全二叉树的层数设定每一层二叉树节点的二进制码字；

获取心血管造影灰度图像中每个像素值的概率，根据心血管造影灰度图像中每个像素值的概率将二叉树每一层节点的二进制码字分配给每个像素值对应的像素点，得到心血管造影灰度图像中每个像素点的二进制码字；

所述心血管造影灰度图像中每个像素点的二进制码字为八位二进制码字或小于八位的二进制码字；

设定二进制水印编码，对于二进制码字小于八位的像素点，选取二进制水印编码中相应位数的编码将该像素点的二进制码字补充至八位；依次将心血管造影灰度图像中所有二进制码字小于八位的像素点补充至八位；

依次获取心血管造影灰度图像中所有进行码字补充的像素点以及对应补充的水印编码位数，并根据像素点的顺序以及对应补充的水印编码位数构建位数序列，利用AES加密算法对位数序列进行加密得到密钥；

将心血管造影灰度图像中每个像素点的八位二进制码字转换为十进制，得到加密图像；将加密图像以及密钥传输至接收方。

2.根据权利要求1所述的一种心血管检测数据的实时传输方法，其特征在于，设定每一层二叉树节点的二进制码字的方法为：

建立七层完全二叉树，获取二叉树中每一层的所有节点；

将每一层的层数作为对应层节点的二进制码字长度，从左到右依次对每一层的节点设定二进制码字。

3.根据权利要求1所述的一种心血管检测数据的实时传输方法，其特征在于，将二叉树每一层节点的二进制码字分配给每个像素值对应的像素点的方法为：

获取心血管造影灰度图像中所有像素点的像素值，计算每个像素值在心血管造影灰度图像中的概率；

根据像素值从大到小，依次对每个像素值对应的所有像素点从二叉树的第一层开始从左到右分配二进制码字。

4.根据权利要求1所述的一种心血管检测数据的实时传输方法，其特征在于，对每个像素值对应的像素点分配码字的方法还包括：

若根据像素值的概率大小对心血管造影灰度图像中的像素点进行二进制码字分配后，存在未分配码字的像素点，设定码字00000000和11111111作为未分配码字像素点的二进制码字。

5.根据权利要求1所述的一种心血管检测数据的实时传输方法，其特征在于，选取二进制水印编码中相应位数的编码将该像素点的二进制码字补充至八位的方法为：

当像素点的二进制码字小于八位时，获取对应像素点需要补充的码字位数，从二进制水印编码中从左到右选取对应位数的水印编码，将选取的水印编码补充到像素点的二进制码字之前；

依次获取心血管造影灰度图像中每个二进制码字小于八位的像素点，循环选取二进制水印编码对每个二进制码字小于八位的像素点进行补充，直至心血管造影灰度图像中所有像素点的二进制码字均为八位。

6.根据权利要求1所述的一种心血管检测数据的实时传输方法，其特征在于，根据补充的水印编码位数构建位数序列的方法为：

依次获取心血管造影灰度图像中码字位数小于八位的像素点，及其补充的水印编码位数，并按照像素点顺序将对应补充的水印编码位数进行排列，得到心血管造影灰度图像的位数序列。

7.根据权利要求1所述的一种心血管检测数据的实时传输方法，其特征在于，将加密图像以及密钥传输至接收方之后，还包括：

接收方将加密图像中的每个像素点的像素值还原为八位二进制码字，根据密钥对八位二进制码字进行还原，得到原图像中每个像素点的码字；

根据七层完全二叉树将原图像中每个像素点的码字还原为像素值，得到还原后的心血管造影灰度图像。

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