一种基于语义位平面的三层加密框架，用于保护医疗图像的安全性

《Scientific Reports》：A semantic bit-plane based three-layer encryption framework for secure medical images

　　

摘要

医疗图像的安全传输和存储至关重要，因为患者信息属于敏感数据，而且医疗数字化、远程医疗和基于云的医疗系统的趋势正在迅速发展。为应对日益严重的安全和隐私挑战，本文提出了一种新型的三层医疗图像加密算法。该算法不仅提供了高水平的安全性，还能在使用医疗图像时实现无损重建，从而确保诊断的准确性。该算法根据位平面将医疗图像分解为三个具有不同语义意义的层次：结构层、细节层和精细层，从而可以根据图像中所含信息的敏感性来区分不同层次的加密需求。每个语义层次都采用独立的加密流程，每个流程使用从基于SHA-256的密钥生成过程生成的单独加密密钥。这种方法可以消除密钥交换带来的开销，并提高密钥的安全性。用于加密各层的关键依赖替换、块级扩散、密钥流加密和像素链接操作能够在系统内部产生混淆和扩散效果，同时保持计算效率。经过加密的三个语义层次经过合并后，再通过全局明文依赖扩散操作进行处理，以增强对统计攻击和差分攻击的抵抗力。实验结果表明，该算法在多种成像模式下表现出色：平均熵值为7.9998，表明数据具有高度随机性和均匀的像素分布；像素变化率（NPCR）为99.61%，说明当原始图像中的单个像素被修改时，绝大多数像素也会发生改变；统一平均变化强度（UACI）为33.47%，表明原始图像与加密图像之间的平均强度差异较小；峰值信噪比（PSNR）为无穷大，证明实现了完美的无损重建。