Nén tín hiệu ECG và bảo mật thông tin bệnh nhân

Bài báo này trình bày một phương pháp nén tín hiệu điện tim (ECG – Electrocardiography) sử dụng thuật toán TP (Turning Point) kết hợp với kỹ thuật giấu tin để bảo mật thông tin bệnh nhân. Tín hiệu ECG ban đầu sẽ được nén với tỉ lệ 2:1 trước khi dữ liệu của bệnh nhân được nhúng vào. Thuật toán mã hóa AES (Advanced Encryption Standard) cùng hàm băm SHA3 (Secure Hash Algorithm-3) được sử dụng để tăng tính bảo mật và xác thực cho thông tin bệnh nhân trước khi nhúng. Mời các bạn cùng tham khảo!
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Nén tín hiệu ECG và bảo mật thông tin bệnh nhân Hội Thảo Quốc Gia 2015 về Điện Tử, Truyền Thông và Công Nghệ Thông Tin (ECIT 2015) +ӝL7KҧR4XӕF*LDYӅĈLӋQ7ӱ7UX\ӅQ7K{QJYj&{QJ1JKӋ7K{QJ7LQ(&,7 Nén tín hiệu ECG và bảo mật thông tin bệnh nhân Nguyễn Lương Nhật1, Đào Duy Liêm2, Nguyễn Thị Minh Thy2 Học Viện Công Nghệ Bưu Chính Viễn Thông, cơ sở TP Hồ Chí Minh 1 2 Trường Đại học Công Nghệ Sài Gòn Email: nhatnl@ptithcm.edu.vn, liem.daoduy@stu.edu.vn, thy.nguyenthiminh@stu.edu.vn Abstract— Bài báo này trình bày một phương pháp nén tín hiệu bài viết này tín hiệu ECG được lựa chọn làm đối tượng chứa điện tim (ECG – Electrocardiography) sử dụng thuật toán TP tin. Thông tin mật được nhúng trực tiếp ở miền không gian vào (Turning Point) kết hợp với kỹ thuật giấu tin để bảo mật thông đối tượng chứa để đảm bảo tốc độ của hệ thống. tin bệnh nhân. Tín hiệu ECG ban đầu sẽ được nén với tỉ lệ 2:1 Để quản lý thông tin trong các hệ thống chẩn đoán bệnh từ trước khi dữ liệu của bệnh nhân được nhúng vào. Thuật toán mã xa, sự kết hợp của kỹ thuật nén, mật mã và giấu tin sẽ làm tăng hóa AES (Advanced Encryption Standard) cùng hàm băm SHA- 3 (Secure Hash Algorithm-3) được sử dụng để tăng tính bảo mật hiệu quả kênh truyền đồng thời tăng độ bảo mật cho thông tin và xác thực cho thông tin bệnh nhân trước khi nhúng. Toàn bộ bệnh nhân. Hệ thống kết hợp này sẽ tạo nên một kênh truyền hệ thống được thí nghiệm trên các dữ liệu ECG khác nhau lấy từ hoàn hảo, cung cấp đầy đủ tính toàn vẹn dữ liệu, tính bảo mật cơ sở dữ liệu physioNet (www.physionet.org). Kết quả thực và tính sẵn sàng. nghiệm cho thấy thông tin mật được bóc tách hoàn toàn chính xác trong khi tín hiệu ECG được giải nén có rất ít sai khác so với II. NÉN TÍN HIỆU ECG DÙNG TURNING POINT tín hiệu gốc. Tín hiệu ECG có tần số từ 0.05 Hz đến 100 Hz, trong khi các hệ thống thu nhận tín hiệu ECG thường lấy mẫu cao hơn Keywords- ECG Compression, ECG Steganography, SHA-3, Turning Point Algorithm. rất nhiều so với tần số lớn nhất của tín hiệu [9]. Thuật toán TP ban đầu được đề xuất bởi Mueller [5] để giảm mẫu của tín hiệu ECG từ 200 Hz xuống 100 Hz qua việc lựa chọn giữ lại các I. GIỚI THIỆU mẫu tín hiệu quan trọng và giảm bớt các mẫu ít quan trọng hơn. Cùng với nhu cầu ngày càng cao của con người và để đáp Thuật toán TP xử lý ba điểm dữ liệu tại một thời điểm, lưu ứng với thời kỳ dân số già, các hệ thống chẩn đoán bệnh từ xa giữ điểm đầu tiên và gán nó như là điểm tham chiếu X0. Hai được ứng dụng nhiều trong thực tế. Một số tín hiệu như điện điểm tiếp theo trở thành X1 và X2, tùy thuộc vào thời điểm nó tim, huyết áp, nhiệt độ, trị số đường,… của bệnh nhân có thể giữ bước ngoặt (thay đổi độ dốc) mà X1 hay X2 được giữ lại và được thu thập tại nhà qua các cảm biến sau đó truyền và chẩn trở thành điểm tham chiếu tiếp theo. Các bước thực hiện của đoán bệnh bằng các hệ thống theo dõi bệnh nhân từ xa. Dữ liệu thuật toán như sau: này cùng với các thông tin bí mật của bệnh nhân được truyền - Bước 1: Đọc các mẫu tín hiệu ECG. qua các kênh không an toàn và được lưu trữ trong máy chủ của - Bước 2: Lưu giữ điểm đầu tiên X0 và xét hai điểm tiếp bệnh viện hay phòng khám [1]. theo X1, X2. Trong thời đại công nghệ thông tin đa truyền thông tiên tiến - Bước 3: Nếu (X1 - X0)(X2 - X1) < 0 thì giữ lại điểm X1, như hiện nay, việc rò rỉ thông tin có tính chất riêng tư càng trở ngược lại thì giữ X2. nên có nguy cơ cao hơn bao giờ hết, tính riêng tư và bảo mật - Bước 4: Gán điểm vừa giữ lại làm điểm tham chiếu và của bệnh nhân cũng nằm trong những nguy cơ đó. Với sự phát thực hiện lại từ bước 2 tới bước 4 cho đến khi kết thúc. triển của các hệ mật mã, những thông tin này ngày càng an - Bước 5: Xây dựng lại tín hiệu sau khi nén. toàn nếu được bảo vệ đúng. Trong bài viết này, chúng tôi trình bày một phương pháp bảo mật thông tin bệnh nhân sử dụng kỹ thuật giấu tin trong tín hiệu ECG kết hợp với các thuật toán mật mã tiên tiến (AES [2] và SHA-3 [3]) để tăng tính bảo mật và chứng thực cho dữ liệu. Đồng thời để thuận lợi cho việc lưu trữ và truyền dẫn, thuật toán nén tín hiệu Turning Point được áp dụng nhằm giảm đi các mẫu tín hiệu ít quan trọng với tỉ lệ nén 2:1 nhưng vẫn giữ được các đặc trưng quan trọng trong tín hiệu ECG [4], [5]. Trong [6], [7] các tác giả đã thực hiện nhúng thông tin bệnh nhân vào tín hiệu ECG để đảm bảo tính riêng tư và bảo mật của bệnh nhân. Trong khi [6], thông tin được nhúng mà không sử dụng bất kỳ thuật toán mã hóa nào, còn trong [7] một lớp mã hóa được thực hiện nhưng tính xác thực thông tin người dùng chưa cao. Trong [8] chúng tôi đã thực hiện nhúng thông tin mật vào cả phần âm thanh và hình ảnh của video chứa, còn trong Hình 1. Tín hiệu ECG 118e00m trước và sau khi nén với TP ISBN ...