一种基于忆阻器混沌与 DNA-ARX-3DES 的新型混合医学图像加密方案及其实时实现

为什么保护医学图像至关重要

医院现在每分钟都在通过网络发送 X 光片、乳腺钼靶、眼部扫描和牙科影像。这些影像可能泄露患者身份及其最隐私的健康信息。然而，许多现有保护方法并非为现代医学所依赖的大型、高分辨率图像文件而设计。本文提出了一种新的图像扰乱方法，使图像对外部观察者看起来像随机噪声，同时速度足够快，可在诊所和床边使用的小型低功耗设备上运行。

受物理与生物启发的新型数字锁

作者将来自电子学、生物学和经典密码学的思想结合在一起。方法核心是一个特殊的电子元件——忆阻器，它自然产生难以预测且剧烈变化的电信号。将这些信号转化为长串随机比特，作为秘密密钥。借鉴 DNA 思想，该方法将图像数据的片段视为短小的“遗传编码”，允许以进一步掩盖原始图像的方式进行混合与交换。最后，使用一种知名的银行级密码（3DES）作为额外的“漂白”层，抹去任何残留的模式。

医学图像逐步如何被扰乱

每幅彩色医学图像首先被拆分为红、绿、蓝三个通道，分别独立处理。对于每个通道，忆阻器电路生成一条混沌数流，经过精心清理并按美国官方标准（NIST 和 FIPS）测试其随机性。该数流控制若干阶段：图像中的比特首先被翻转和重排，然后通过一种简单但强大的算术混合（称为加法-旋转-异或，Add-Rotate-Xor 或 ARX）迅速将微小变化传播到许多像素。接着，比特被重新编码为包含 16 个符号的“DNA 字母表”，并在交叉步骤中与密钥序列结合，类似生物 DNA 链交换信息的方式。仅在完成所有这些扰乱之后，结果才以每幅图像不同的随机初始值输入 3DES 密码器。

对系统进行检验

为了验证这一系列技巧是否真正隐藏信息，研究团队对四类医学图像进行了加密：骨折影像、乳腺钼靶、视网膜血管图和牙齿 X 光片。他们检查了加密图像亮度值的分布、相邻像素之间的相关性，以及在仅改变一个像素或密钥的一位时结果发生的变化。在所有测试中，加密图像在统计上与随机噪声无法区分，邻近像素几乎没有相关性，随机性测度接近完美。改变单个像素或单个位密钥会导致超过 99.5% 的加密图像发生变化，这意味着攻击者无法通过精心构造的测试图像获取有用信息。

面向边缘设备的实时可用性

强大的安全性只有在能在需要的地点运行时才有意义。因此，研究人员在两种低成本嵌入式平台上实现了该方案：NVIDIA 的 Jetson Nano 和 PYNQ‑Z1 板。尽管有多层保护，他们仍能在 Jetson Nano 上以大约半秒的速度对标准 256×256 像素的医学图像进行加密和解密，在 PYNQ‑Z1 上耗时略高于一秒。这些速度足以满足许多医疗物联网应用场景，例如对便携式扫描仪中的图像加密或将图像安全发送到云端诊断服务而不会产生明显延迟。

对患者隐私的意义

总体而言，该研究表明可以构建一种实用的“纵深防御”系统用于医学图像，其中基于物理的混沌、DNA 式的数据混合以及成熟的加密算法互为补充。对非专业读者来说，结论很简单：该方法使医学图像看起来极为随机，即使是强大的计算机没有精确的秘密密钥也难以逆向恢复，但医生和设备在需要时仍能快速解锁。随着医疗保健越来越多地转向在线和小型互联设备，这类混合方法可能成为保护敏感扫描和 X 光片免受窥探的重要工具。

引用: 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

关键词: 医学图像加密, 忆阻器混沌, 基于 DNA 的密码学, 嵌入式安全, 健康数据隐私