مخطط تشفير صور طبية هجين جديد قائم على فوضى الميمريستور وDNA-ARX-3DES مع تنفيذ في الوقت الحقيقي

لماذا يعد تأمين الصور الطبية أمراً مهماً فعلاً

ترسل المستشفيات الآن صور الأشعة، وماموغرامات الثدي، ومسوح العين، وصور الأسنان عبر الشبكات كل دقيقة. يمكن أن تكشف هذه الصور عن هوية المريض وأدق التفاصيل الصحية. ومع ذلك فإن كثيراً من أساليب الحماية الحالية لم تُصمَّم للتعامل مع ملفات الصور الكبيرة والمفصلة التي تعتمد عليها الطب الحديث. تقدم هذه الورقة طريقة جديدة لتشفير الصور الطبية بحيث تبدو كضوضاء عشوائية بالنسبة للغرباء، وفي الوقت نفسه تكون سريعة بما يكفي للتشغيل على أجهزة صغيرة منخفضة الطاقة المستخدمة في العيادات وعلى السرير الطبي.

قفل رقمي جديد مستوحى من الفيزياء والبيولوجيا

يجمع المؤلفون أفكاراً من ثلاثة عوالم: الإلكترونيات، والبيولوجيا، والتشفير الكلاسيكي. في صميم طريقتهم مكوّن إلكتروني خاص يُسمى الميمريستور، والذي يولد طبيعياً إشارات كهربائية فوضوية تتغير بشدة ويصعب التنبؤ بها. تُحوَّل هذه الإشارات إلى سلاسل طويلة من البِتات العشوائية التي تعمل كمفاتيح سرية. مستفيدين من مفهوم الـDNA، تعامل الطريقة قطعاً من بيانات الصورة كما لو كانت شفرات جينية قصيرة، مما يتيح خلطها وتبادلها بطرق تُخفي الصورة الأصلية بشكل أكبر. أخيراً، يُستخدم تشفير معروف بمستوى البنوك (3DES) كطبقة «تبييض» إضافية لمحو أي أنماط متبقية.

كيف تُشَوَّه صورة طبية خطوة بخطوة

تُقسَم كل صورة ملونة أولاً إلى طبقاتها الحمراء والخضراء والزرقاء، وتُعالَج كل طبقة بشكل مستقل. لكل طبقة، يولد دارة الميمريستور تيار أعداد فوضوية يتم تنقيته واختباره بعناية من حيث العشوائية باستخدام معايير رسمية أمريكية (NIST وFIPS). تتحكم هذه السلاسل في عدة مراحل: تُقلَب وتُعاد ترتيب بِتات الصورة أولاً، ثم تمر عبر مزيج حسابي بسيط لكنه قوي (يسمى Add‑Rotate‑Xor أو ARX) الذي ينشر بسرعة تغييرات صغيرة عبر العديد من البكسلات. بعد ذلك، تُعاد ترميز البِتات إلى «أبجدية» DNA مكوّنة من 16 رمزاً وتُدمَج مع تسلسل مفتاح في خطوة تقاطع (crossover)، مماثلة لكيفية تبادل سلاسل الـDNA للمعلومات. فقط بعد كل هذا التشويه يُدخَل الناتج في تشفير 3DES بقيمة بداية عشوائية جديدة لكل صورة.

اختبار النظام

لفحص ما إذا كانت سلسلة الحيل هذه تُخفي المعلومات فعلاً، قام الفريق بتشفير أربعة أنواع من الصور الطبية: كسور العظام، وماموغرامات الثدي، وأوعية شبكية العين، وصور أشعة للأسنان. فحصوا توزيع قيم السطوع في الصور المشفَّرة، ومدى ارتباط البكسلات المجاورة ببعضها، ومقدار التغيير في النتيجة إذا عدَّلت بتاً واحداً أو بكسلاً واحداً في مفتاح السر. في كل الحالات، بدت الصور المشفَّرة إحصائياً غير مميزة عن الضوضاء العشوائية، مع شبه انعدام للترابط بين البكسلات المجاورة وقياسات عشوائية قريبة من الكمال. تسبب تغيير بكسل واحد أو بت واحد في المفتاح بتغييرات عبر أكثر من 99.5% من الصورة المشفَّرة، ما يعني أن المهاجمين لا يمكنهم استنتاج أي شيء مفيد من صور اختبار مختارة بعناية.

جاهزية للاستخدام في الوقت الحقيقي عند الحافة

الأمن القوي مفيد فقط إذا أمكن تشغيله حيث يلزم. لذلك نفذ الباحثون مخططهم على منصتين مضمنتين منخفضتي التكلفة: Jetson Nano من NVIDIA ولوحة PYNQ‑Z1. على الرغم من طبقات الحماية المتعددة، تمكنوا من تشفير وفك تشفير صور طبية قياسية بحجم 256×256 بكسل في نحو نصف ثانية على Jetson Nano وما يزيد قليلاً عن ثانية على PYNQ‑Z1. هذه السرعات كافية للعديد من تطبيقات إنترنت الأشياء الطبية، مثل تشفير الصور في الماسحات المحمولة أو إرسالها بأمان إلى خدمات تشخيص سحابية دون تأخير ملحوظ.

ماذا يعني هذا لخصوصية المرضى

بشكل عام، تُظهر الدراسة أنه من الممكن بناء نظام عملي للدفاع العميق للصور الطبية، حيث تكمل الفوضى المبنية على الفيزياء، والخلط على طريقة الـDNA، والتشفيرات الراسخة بعضها بعضاً. للغير مختصين، الخلاصة بسيطة: تجعل هذه الطريقة الصورة الطبية تبدو عشوائية لدرجة أن حتى الحواسيب القوية لا يمكنها عكسها بسهولة دون المفتاح السري الدقيق، ومع ذلك يمكن للأطباء والأجهزة فتحها بسرعة عند الحاجة. مع استمرار تحوّل الرعاية الصحية نحو الإنترنت والأجهزة المتصلة الصغيرة، قد تصبح مثل هذه النهج الهجينة أداة مهمة للحفاظ على سرية الفحوصات والأشعة من أعين المتطفلين.

الاستشهاد: Suzgen, E.E., Sahin, M.E. & Ulutas, H. A novel hybrid medical image encryption scheme based on memristive chaos and DNA-ARX-3DES with Real-Time implementation. Sci Rep 16, 6230 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-36824-4

الكلمات المفتاحية: تشفير الصور الطبية, فوضى الميمريستور, التشفير المستند إلى الـDNA, أمن مضمن, خصوصية بيانات الصحة