DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-025-03898-5
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/40481033
تاريخ النشر: 2025-06-06
المؤلف: Vigna Kumaran وآخرون
الموضوع الرئيسي: تشفير الصور/الإشارات المعتمد على الفوضى
نظرة عامة
تقدم ورقة البحث تقنية تشفير هجينة جديدة لتأمين الصور الطبية، تجمع بين تشفير الحمض النووي مع تشفير المنحنيات البيضاوية (ECC). تتناول هذه الطريقة التحديات الكبيرة في مجال الطب عن بُعد وخدمات الصحة، لا سيما حماية بيانات المرضى الحساسة أثناء النقل عبر قنوات غير آمنة. تعاني طرق التشفير التقليدية غالبًا من تعقيد حسابي عالٍ وهشاشة أمام الهجمات التشفيرية المتقدمة. تستفيد الطريقة المقترحة من العشوائية العالية لتشفير الحمض النووي جنبًا إلى جنب مع ميزات الأمان القوية لـ ECC، مما يؤدي إلى تعزيز الأمان وكفاءة الحساب المناسبة للتطبيقات الطبية في الوقت الحقيقي.
تظهر التحليلات التجريبية أن تقنية التشفير المقترحة تتفوق على الطرق الحالية، حيث تحقق انتروبيا قدرها 7.9981، ومعامل ارتباط قدره 0.0019، ونسبة إشارة إلى ضوضاء ذروة (PSNR) قدرها 53.97. خضعت المنهجية لاختبارات صارمة، بما في ذلك تحليل وقت التشغيل والذاكرة والأمان، مما يؤكد فعاليتها وكفاءتها. تستنتج الدراسة أن النظام المقترح لا يحسن فقط جودة الصور الطبية المشفرة ولكن أيضًا يقدم مقاومة ضد مختلف الهجمات. قد تتضمن الأعمال المستقبلية تحسين الطريقة بشكل أكبر لتعزيز التعرف على الصور الطبية، مما قد يزيد من قابليتها للتطبيق في البيئات السريرية.
طرق
تدمج المنهجية المقترحة التشفير القائم على الحمض النووي مع تشفير المنحنيات البيضاوية (ECC) لتعزيز أمان بيانات الصور الطبية. تبدأ العملية بإدخال صورة طبية وصورة مفتاح، والتي تخضع بعد ذلك لعمليات الحمض النووي التي تفسر الصور كسلاسل ثنائية من 1 و 0. تخضع كلتا الصورتين لتشفير الحمض النووي في صفوف وأعمدة، مما يؤدي إلى صورة مشفرة بعد تشفير ECC وصورة عادية بعد فك تشفير ECC. يتم رسم التمثيل الثنائي للصورة المدخلة إلى تسلسلات الحمض النووي (A، G، C، T) وفقًا لقواعد محددة مسبقًا، بينما يتم توليد مفتاح عشوائي من خلال التبديل، والذي يتم تحويله في النهاية إلى قيم ASCII.
تستخدم ECC الخصائص الرياضية للمنحنيات البيضاوية على الحقول المحدودة لتسهيل توليد المفاتيح الآمنة وتبادلها. يختار كل مستخدم مفتاحًا خاصًا، والذي يُستخدم لاشتقاق مفتاح عام مطابق بناءً على نقطة معينة على المنحنى. تستخدم عملية التشفير المفتاح العام، بينما يتم تنفيذ فك التشفير بواسطة المستلم باستخدام المفتاح الخاص. يعتمد أمان هذه الطريقة على صعوبة مشكلة اللوغاريتم المتقطع للمنحنيات البيضاوية (ECDLP)، مما يجعل من غير العملي اشتقاق المفتاح الخاص من المفتاح العام، وبالتالي يعزز الأمان العام لآلية التشفير المقترحة.
مناقشة
تسلط المناقشة حول تشفير الصور الطبية الضوء على عدة تحديات حرجة، بما في ذلك مخاوف الأمان والخصوصية، والضرورة للتشفير بدون فقدان، وكفاءة الحساب، والتوافق عبر أنظمة الرعاية الصحية، والامتثال التنظيمي، وإدارة المفاتيح الفعالة. تحتوي الصور الطبية على معلومات حساسة عن المرضى، مما يتطلب طرق تشفير قوية لمنع الوصول غير المصرح به. بالإضافة إلى ذلك، يجب أن تحافظ عملية التشفير على دقة الصور العالية، حيث أن أي تدهور قد يهدد دقة التشخيص. يجب أيضًا موازنة المتطلبات الحسابية لتشفير الصور الطبية الكبيرة مع الحاجة إلى الوصول السريع في البيئات السريرية. علاوة على ذلك، يعقد الامتثال للوائح مثل HIPAA تنفيذ تقنيات التشفير.
تتناول الطريقة المقترحة هذه التحديات من خلال دمج تشفير الحمض النووي مع تشفير المنحنيات البيضاوية (ECC)، بهدف تعزيز كل من الأمان والكفاءة. تستفيد هذه الطريقة الهجينة من القدرة العالية على الاحتفاظ بالبيانات لهياكل الحمض النووي والمزايا الحسابية لـ ECC، مما يسمح بالتعامل الآمن مع مجموعات البيانات الطبية الكبيرة. تشمل المساهمات الرئيسية تصميم تقنية تشفير قائمة على الحمض النووي تضمن تشفيرًا بدون فقدان، وتوليد مفاتيح آمنة من خلال توليد أرقام عشوائية آمنة تشفيرياً (CSPRNG)، وتحسين مقاييس الأداء مثل زيادة الانتروبيا وتعزيز نسبة إشارة إلى ضوضاء الذروة (PSNR). تهدف هذه الطريقة المبتكرة ليس فقط إلى تعزيز أمان الصور الطبية ولكن أيضًا إلى تسهيل نقلها وتخزينها بشكل آمن، مما يلبي الاحتياجات الملحة لأنظمة الرعاية الصحية الحديثة.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-025-03898-5
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/40481033
Publication Date: 2025-06-06
Author(s): Vigna Kumaran et al.
Primary Topic: Chaos-based Image/Signal Encryption
Overview
The research paper presents a novel hybrid encryption technique for securing medical images, integrating DNA cryptography with Elliptic Curve Cryptography (ECC). This approach addresses significant challenges in the field of telemedicine and health services, particularly the protection of sensitive patient data during transmission over insecure channels. Traditional encryption methods often suffer from high computational complexity and vulnerability to advanced cryptographic attacks. The proposed method leverages the high randomness of DNA coding alongside the robust security features of ECC, resulting in enhanced security and computational efficiency suitable for real-time medical applications.
Experimental analysis demonstrates that the proposed encryption technique outperforms existing methods, achieving an entropy of 7.9981, a correlation coefficient of 0.0019, and a Peak Signal-to-Noise Ratio (PSNR) of 53.97. The methodology underwent rigorous testing, including runtime, memory, and security analyses, confirming its effectiveness and efficiency. The study concludes that the proposed system not only improves the quality of encrypted medical images but also offers resilience against various attacks. Future work may involve optimizing the approach further to enhance the recognition of medical images, potentially increasing its applicability in clinical settings.
Methods
The proposed methodology integrates DNA-based encryption with Elliptic Curve Cryptography (ECC) to enhance the security of medical image data. The process begins with the input of a medical image and a key image, which are then subjected to DNA operations that interpret the images as binary sequences of 1’s and 0’s. Both images undergo DNA encoding in rows and columns, resulting in a cipher image after ECC encryption and a plain image after ECC decryption. The binary representation of the input image is mapped to DNA sequences (A, G, C, T) according to a predefined rule, while a random key is generated through permutation, ultimately converted into ASCII values.
ECC employs the mathematical properties of elliptic curves over finite fields to facilitate secure key generation and exchange. Each user selects a private key, which is used to derive a corresponding public key based on a designated point on the curve. The encryption process utilizes the public key, while decryption is executed by the receiver using the private key. The security of this approach is anchored in the difficulty of the Elliptic Curve Discrete Logarithm Problem (ECDLP), which renders it impractical to derive the private key from the public key, thereby enhancing the overall security of the proposed encryption mechanism.
Discussion
The discussion on medical image encryption highlights several critical challenges, including security and privacy concerns, the necessity for lossless encryption, computational efficiency, interoperability across healthcare systems, regulatory compliance, and effective key management. Medical images contain sensitive patient information, necessitating robust encryption methods to prevent unauthorized access. Additionally, the encryption process must maintain the high fidelity of images, as any degradation could compromise diagnostic accuracy. The computational demands of encrypting large medical images must also be balanced with the need for rapid access in clinical settings. Furthermore, compliance with regulations such as HIPAA complicates the implementation of encryption techniques.
The proposed approach addresses these challenges by integrating DNA cryptography with Elliptic Curve Cryptography (ECC), aiming to enhance both security and efficiency. This hybrid method leverages the high data retention capacity of DNA structures and the computational advantages of ECC, allowing for the secure handling of large medical datasets. Key contributions include the design of a DNA-based encoding technique that ensures lossless encryption, secure key generation through Cryptographically Secure Random Number Generation (CSPRNG), and improved performance metrics such as higher entropy and enhanced Peak Signal-to-Noise Ratio (PSNR). This innovative approach not only aims to fortify the security of medical images but also facilitates their safe transmission and storage, addressing the pressing needs of modern healthcare systems.