Memristif kaotik ve DNA-ARX-3DES tabanlı, Gerçek Zamanlı uygulamalı yeni bir hibrit tıbbi görüntü şifreleme şeması

Tıbbi görüntüleri kilitlemenin neden gerçekten önemli olduğu

Hastaneler artık her dakika ağlar üzerinden röntgenler, mamogramlar, göz taramaları ve diş görüntüleri gönderiyor. Bu görseller hastanın kimliğini ve en mahrem sağlık ayrıntılarını açığa çıkarabilir. Yine de günümüzde kullanılan pek çok koruma yöntemi, modern tıbbın dayandığı büyük ve ayrıntılı görüntü dosyaları için tasarlanmamıştır. Bu makale, tıbbi görüntüleri dışarıdan bakıldığında rastgele gürültü gibi görünene kadar karıştıran yeni bir yöntem sunuyor; üstelik kliniklerde ve yatak başında kullanılan küçük, düşük güçlü cihazlarda çalışacak kadar hızlı.

Fizik ve biyolojiden ilham alan yeni bir dijital kilit

Yazarlar üç alandan fikirleri birleştiriyor: elektronik, biyoloji ve klasik kriptografi. Yöntemin merkezinde doğal olarak öngörülemez, vahşi değişen elektrik sinyalleri üreten özel bir elektronik bileşen olan memristör bulunuyor. Bu sinyaller uzun rastgele bit dizilerine dönüştürülerek gizli anahtarlar olarak kullanılıyor. DNA’dan ödünç alınan yaklaşımla, görüntü verisinin parçaları kısa gen kodlarıymış gibi ele alınarak orijinal resmi daha da gizleyecek şekilde karıştırılıyor ve değiş tokuş ediliyor. Son olarak, kalan desenleri silmek için bankacılık düzeyinde bilinen bir şifreleme (3DES) ek bir “açıcı” katman olarak kullanılıyor.

Bir tıbbi görüntünün adım adım nasıl karıştırıldığı

Her renkli tıbbi görüntü önce kırmızı, yeşil ve mavi katmanlarına ayrılır ve bunlar bağımsız olarak işlenir. Her katman için memristör devresi, dikkatle temizlenip rastgelelik açısından test edilen kaotik bir sayı akışı üretir (ABD resmî standartları NIST ve FIPS kullanılarak). Bu akış birkaç aşamayı kontrol eder: görüntüdeki bitler önce terslenir ve yeniden düzenlenir, sonra küçük değişiklikleri hızla birçok piksele yaymak için güçlü ama basit bir aritmetik karıştırmaya (Add-Rotate-Xor, ARX) tabi tutulur. Ardından bitler 16 sembollü bir “DNA alfabesi”ne kodlanır ve biyolojik DNA sarmallarının bilgi değiş tokuşunu andıran bir çaprazlama adımında bir anahtar dizisiyle birleştirilir. Tüm bu karıştırma işleminden sonra elde edilen sonuç, her görüntü için taze rastgele bir başlangıç değeri ile 3DES şifresine verilir.

Sistemi teste tabi tutmak

Bu dizi numaraların gerçekten bilgiyi gizleyip gizlemediğini görmek için ekip dört tür tıbbi görüntüyü şifreledi: kemik kırıkları, meme mamogramları, retina kan damarları ve diş röntgenleri. Şifrelenmiş görüntülerin parlaklık değerlerinin dağılımını, bitişik pikseller arasındaki ilişkinin gücünü ve yalnızca bir pikselin veya gizli anahtarın bir bitinin değiştirilmesinin sonucu ne kadar etkilediğini incelediler. Her durumda, şifrelenmiş görüntüler istatistiksel olarak rastgele gürültüden ayırt edilemez görünüyordu; bitişik pikseller arasında neredeyse hiç korelasyon yoktu ve rastgelelik ölçümleri neredeyse mükemmeldi. Tek bir pikselin veya tek bir anahtar bitinin değiştirilmesi, şifrelenmiş görüntünün %99,5’inden fazlasında değişimlere yol açtı; bu da saldırganların özenle seçilmiş test görüntülerinden faydalı bir şey öğrenemeyeceği anlamına geliyor.

Uçta gerçek zamanlı kullanıma hazır

Güçlü güvenlik yalnızca ihtiyaç duyulan yerde çalışabiliyorsa faydalıdır. Araştırmacılar bu nedenle şemalarını iki düşük maliyetli gömülü platformda uyguladılar: NVIDIA Jetson Nano ve PYNQ-Z1 kartı. Birden çok koruma katmanına rağmen, Jetson Nano üzerinde standart 256×256 piksellik tıbbi görüntüleri şifreleme ve çözmede yaklaşık yarım saniye; PYNQ-Z1 üzerinde ise biraz üzerine bir saniye sürebildiler. Bu hızlar, taşınabilir tarayıcılarda görüntüleri şifreleme veya bunları gecikme farkedilmeksizin bulut tabanlı tanı servislerine güvenli şekilde gönderme gibi pek çok Tıbbi Nesnelerin İnterneti uygulaması için yeterince hızlıdır.

Bu hastaların gizliliği için ne anlama geliyor

Genel olarak çalışma, fizik tabanlı kaos, DNA tarzı veri karıştırma ve yerleşik şifrelerin birbirini güçlendirdiği pratik bir “derin savunma” sistemi inşa etmenin mümkün olduğunu gösteriyor. Uzman olmayan bir kişi için çıkarım basit: bu yöntem tıbbi bir görüntüyü o kadar rastgele gösterir hale getiriyor ki, güçlü bilgisayarlar bile doğru gizli anahtar olmadan kolayca tersine çeviremez; aynı zamanda doktorlar ve cihazlar gerektiğinde hızlıca açabilmeyi sürdürebilir. Sağlık hizmetleri çevrimiçi ve küçük bağlı cihazlara doğru ilerledikçe, bu tür hibrit yaklaşımlar hassas taramalar ve röntgenleri meraklı gözlerden korumak için önemli bir araç haline gelebilir.

Atıf: 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

Anahtar kelimeler: tıbbi görüntü şifreleme, memristör kaosu, DNA tabanlı kriptografi, gömülü güvenlik, sağlık verisi gizliliği