Новая гибридная схема шифрования медицинских изображений на основе мемристивного хаоса и DNA‑ARX‑3DES с реализацией в реальном времени

Почему защита медицинских изображений действительно важна

Больницы ежедневно и ежеминутно передают по сетям рентгеновские снимки, маммограммы, сканы глаз и зубные снимки. Эти изображения могут раскрыть личность пациента и самые сокровенные сведения о его здоровье. При этом многие используемые сегодня методы защиты изначально не рассчитывались на огромные, детализированные файлы, с которыми работает современная медицина. В статье предложен новый способ перемешивания медицинских изображений так, что они для посторонних выглядят как случайный шум, но при этом алгоритм достаточно быстр, чтобы работать на компактных энергоэффективных устройствах, применяемых в клиниках и у постели больного.

Новый цифровой замок, вдохновленный физикой и биологией

Авторы объединяют идеи из трех областей: электроники, биологии и классической криптографии. В основе метода — специальный электронный компонент, называемый мемристором, который естественным образом генерирует чрезвычайно изменчивые электрические сигналы, практически непредсказуемые. Эти сигналы преобразуются в длинные строки случайных битов, выполняющих роль секретных ключей. Заимствуя приёмы из молекулярной биологии, метод затем трактует фрагменты данных изображения как короткие генетические коды, что позволяет смешивать и обменивать их способами, дополнительно скрывающими исходную картину. Наконец, в качестве завершающего «осветляющего» слоя применяется известный банковский шифр (3DES), чтобы устранить оставшиеся закономерности.

Как медицинское изображение перемешивается пошагово

Каждое цветное медицинское изображение сначала разделяют на красный, зелёный и синий каналы, которые обрабатываются независимо. Для каждого канала схема с мемристором генерирует хаотический поток чисел, который тщательно очищается и тестируется на случайность по официальным американским стандартам (NIST и FIPS). Этот поток управляет несколькими этапами: биты в изображении сначала инвертируются и переставляются, затем проходят через простой, но мощный арифметический микс (Add‑Rotate‑Xor, или ARX), который быстро распространяет небольшие изменения по множеству пикселей. Далее биты перекодируются в 16‑символьный «алфавит ДНК» и комбинируются с последовательностью ключа на шаге кроссовера, напоминая обмен информацией между биологическими нитями ДНК. Лишь после всего этого результат подаётся в шифр 3DES с новым случайным начальным вектором для каждого изображения.

Испытания системы

Чтобы проверить, действительно ли цепочка преобразований скрывает информацию, команда зашифровала четыре типа медицинских изображений: снимки переломов костей, маммограммы, сосуды сетчатки и зубные рентгеновские снимки. Они исследовали распределение яркостей в зашифрованных изображениях, степень корреляции соседних пикселей и чувствительность результата к изменению одного пикселя или одного бита секретного ключа. Во всех случаях зашифрованные изображения статистически неотличимы от случайного шума: почти отсутствовала корреляция между соседними пикселями, а показатели случайности были близки к идеальным. Изменение одного пикселя или одного бита ключа вызывало изменения более чем в 99,5% зашифрованного изображения, что означает, что злоумышленники не могут извлечь полезную информацию даже при тщательно подобранных тестах.

Готовность к использованию в режиме реального времени на периферии

Сильная защита полезна лишь в том случае, если она может выполняться там, где это необходимо. Поэтому исследователи реализовали свою схему на двух недорогих встроенных платформах: NVIDIA Jetson Nano и плате PYNQ‑Z1. Несмотря на многослойную защиту, им удалось шифровать и расшифровывать стандартные медицинские изображения размером 256×256 пикселей примерно за полсекунды на Jetson Nano и чуть более секунды на PYNQ‑Z1. Эти скорости достаточны для многих приложений Интернета медицинских вещей, например для шифрования изображений в портативных сканерах или их безопасной передачи в облачные диагностические сервисы без заметных задержек.

Что это значит для конфиденциальности пациентов

В целом исследование показывает, что возможно создать практическую систему «защиты в глубину» для медицинских изображений, где хаос, основанный на физике, смешение данных в стиле ДНК и проверенные шифры усиливают друг друга. Для неспециалиста вывод прост: этот метод делает медицинское изображение настолько похожим на случайный шум, что даже мощные компьютеры не смогут легко обратить процесс без точного секретного ключа, при этом врачи и устройства смогут быстро восстановить изображение по мере необходимости. По мере того как здравоохранение переходит в онлайн и на небольшие подключённые устройства, такие гибридные подходы могут стать важным инструментом для защиты чувствительных снимков и рентгеновских изображений от посторонних глаз.

Цитирование: 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

Ключевые слова: шифрование медицинских изображений, хаос мемристора, криптография на основе ДНК, встроенная безопасность, конфиденциальность медицинских данных