CN110535624A - 一种应用于dicom格式的医学图像隐私保护方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种应用于DICOM格式的医学图像隐私保护方法，首先构建混沌系统；然后利用哈希函数生成混沌系统的初始值和系统参数，并对原始明文图像进行空间上的置乱操作；接着计算新一轮的混沌系统初始值和系统参数，并对置乱的图像进行扩散和比特移位操作，以消除明文之间的统计特性；对移位后的中间密文进行异或操作，以进一步增强密文像素和算法之间的相关性，最终得到加密的密文图像；最后对DICOM文件的标签信息进行加密。本发明对选择明文攻击、密钥蛮力攻击、差分分析攻击具有很强的鲁棒性。

Description

一种应用于DICOM格式的医学图像隐私保护方法

技术领域

本发明属于信息安全技术领域，涉及一种图像加密方法，特别是涉及一种DICOM格式的的医学图像加密方法。

背景技术

DICOM(Digital Imaging and Communications in Medicine)即医学数字成像和通信，被广泛应用于医学图像设备当中，患者的医学图像也都是以DICOM文件格式进行存储。但是医学图像在传输的过程中易遭到黑客攻击，使病人的隐私遭到泄露。因此，为保护病人的个人隐私信息，对DICOM格式的医学图像进行加密处理显得愈发重要。

DICOM文件分为两个部分，一部分是前面的标签记载了病人的个人隐私信息，另一部分是图像像素部分，因此在加密的过程中要同时对文字和图像信息进行加密。对于一个固定的加密算法，每次加密的密钥是相同的，难以达到“一次一密”的加密效果，因此只要有足够多的样本就可以对算法进行破译。于是提出一种安全性更高的医学图像加密方法显得愈加重要。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种应用于DICOM格式的医学图像隐私保护方法。

本发明所采用的技术方案是：一种应用于DICOM格式的医学图像隐私保护方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：构建超混沌系统；

步骤2：利用哈希函数生成超混沌系统的初始值,并对原始明文图像进行空间上的置乱操作；

步骤3：计算新一轮的混沌系统初始值和系统参数，并对置乱的图像进行扩散和比特移位操作，以消除明文之间的统计特性；

步骤4：对移位后的中间密文进行异或操作，以进一步增强密文像素和算法之间的相关性，最终得到加密的密文图像；

步骤5：对DICOM文件的标签信息进行加密。

作为优选，步骤1中所述混沌系统为：

其中a，b，c，d，r是控制参数，x、y、w、z为系统的状态变量。

本发明还可用别的混沌系统替代，但是本发明采用的是超混沌系统，与普通的混沌系统相比，有着更为复杂的运动现象，产生的混沌序列随机性更好。

作为优选，步骤2的具体实现包括以下子步骤：

步骤2.1：用SHA-512哈希算法对原始明文图像进行哈希操作，得到一个512比特的二进制序列S，其中M为明文图像数据的行数，N为明文图像数据的列数；

步骤2.2：把二进制序列S平均分成四个二进制序列，每个128比特，并转换成对应的十进制数字得到X₁，X₂，X₃，X₄；

步骤2.3：由下式生成超混沌系统的初始值；

当a＝35，b＝3，c＝12，d＝7，r＝0.6时，系统进入混沌状态，由此得到四个超混沌序列L_n，n＝1，2，3，4；

步骤2.4：对于超混沌序列L₁，舍弃前T个序列值，并依次取从T+1个序列值开始的小数点的前两位和后两位组成一个新的整数，保留原整数的符号，得到序列L′₁，其中T＝M+N+(X₁+X₂+X₃+X₄)mod256；

步骤2.5：对原始图像像素矩阵进行行与列交替的循环移位，步长为L′₁(n)，n表示为第n个序列值，当序列值为正数时表示向右的循环移位，当序列值为负数时表示为向左的循环移位；

步骤2.6：分别用超混沌序列L₂，L₃，L₄依次重复步骤2.4和步骤2.5各一次，完成原始图像的像素置乱，得到置乱的明文图像

与现有技术相比，本技术方案在对图像进行置乱的过程中，参数X₁，X₂，X₃，X₄是由原始图像的哈希值产生的，对于不同的图像会产生不同的参数值，从而可以抵御选择明文攻击。并且经过多次置乱后，图像的置乱效果更好。

作为优选，步骤3的具体实现包括以下子步骤：

步骤3.1：用SHA-512哈希算法对置乱的明文图像进行哈希操作，得到一个512比特的二进制序列S′；

步骤3.2：重复步骤2.2得到四个十进制数字X′₁，X′₂，X′₃，X′₄；

步骤3.3：重复步骤2.3得到四个超混沌序列L′_n，n＝1，2，3，4；

步骤3.4：将置乱的明文图像矩阵转变成一维序列I₂，选取第t个超混沌序列L′_t，舍弃序列前T个序列值，对一维序列I₂进行加密；

t＝((X′₁+X′₂+X′₃+X′₄)mod4)+1；

其中，F表示原始图像的最大像素值，E表示加密后的一维序列，|·|表示取绝对值，表示向下取整；L′_t(i)表示第t个混沌序列的第i个序列值，I₂表示置乱后的图像序列；

步骤3.5：同样对于第t个超混沌序列L′_t，舍弃序列前T个序列值，将序列L′_t转换成对应的序列R，转换的公式如下：

R(i)＝((L′_t(i)×10¹⁰)mod7)+1；

步骤3.6：将十进制序列R转换成对应的二进制序列R′；

步骤3.7：把一维序列E转换成对应的二进制序列E′，然后进行循环移位操作，移位公式如下：

C(i)＝circshift[E′(i)，LSB(R′(i))，R(i)] i＝1，...，M×N；

其中LSB(·)表示二进制序列的最低位，函数circshift[u，q，v]表示序列u执行向左或向右的v比特的循环移位，当q＝0表示向左的循环移位，q＝1表示向右的循环移位。

与现有技术相比，对图像像素进行加密和扩散操作，都是基于产生的混沌序列而完成的，同时混沌序列的初始值的产生又和明文图像有关，从而可以抵御选择明文攻击。另外本方案加密和扩散的效果较好，同时操作简便。

作为优选，步骤4的具体实现包括以下子步骤：

步骤4.1：将移位后的图像序列转换成最终密文序列，转换公式如下：

步骤4.2：将密文序列C′(i)转换成最终密文图像。

与现有技术相比，本方案进一步的对图像像素进行扩散，操作简单，效果较好。

作为优选，步骤5中，设标签部分的明文信息为m，用DES加密算法对明文信息进行加密，加密的密钥k为步骤2.1中的二进制序列S的前64位，加密公式如下：

C＝E_k(m)。

本发明采用DES算法加密，速度较快，且不会发生密文膨胀现象，易于传输。

加密方案的逆向操作就是解密方案；

本发明方法与现有技术相比有如下的优点和有益效果：

(1)本发明基于明文图像构造系统参数和混沌系统的初始值，由于混沌系统对初始输入的敏感性，当攻击者使用选择明文攻击对算法进行攻击时，不同的明文图像会产生不同的系统参数和密钥流，从而在根本上抵御选择明文攻击；

(2)置乱阶段的系统参数和混沌系统序列值是基于明文原始图像产生的，在对置乱的图像像素进行扩散的过程中，系统参数和混沌系统序列值是基于置乱的图像产生的，从而进一步加强了明文图像和加密算法的相关性；

(3)用DES算法对文件标签信息加密后，密文不会发生膨胀，易于传输，且密钥和明文图像信息相关联；

(4)本算法在实施的过程中效率较高，安全性强，具有良好的加密效果；

附图说明：

图1为本发明实施例的流程图。

具体实施方式

为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合附图及实施例对本发明作进一步的详细描述，应当理解，此处所描述的实施示例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

请见图1，本发明提供的一种应用于DICOM格式的医学图像隐私保护方法，包括以下步骤：

步骤1：构建超混沌系统；

步骤2：利用哈希函数生成超混沌系统的初始值，并对原始明文图像进行空间上的置乱操作；

步骤3：计算新一轮的混沌系统初始值和系统参数，并对置乱的图像进行扩散和比特移位操作，以消除明文之间的统计特性；

步骤4：对移位后的中间密文进行异或操作，以进一步增强密文像素和算法之间的相关性，最终得到加密的密文图像；

步骤5：对DICOM文件的标签信息进行加密。

本实施例中，超混沌系统表达式为：

其中a，b，c，d，r是控制参数，当a＝35，b＝3，c＝12，d＝7，r＝0.6时，系统进入混沌状态，x、y、w、z为系统的状态变量；

根据原始明文图像信息计算相关的系统参数，得到混沌系统的初始输入值，进而得到四个超混沌序列L_n，n＝1，2，3，4；

对于明文原始图像的置乱部分，以下举例进行说明：

假定原始图像矩阵为混沌序列值为{1，-1，…}，则先对图像矩阵进行行变换，得到图像矩阵再对图像矩阵进行列变换得到图像矩阵行变换和列变换依次交替进行；

得到置乱好的图像矩阵后，对置乱的图像进行再次哈希，得到新一轮的系统参数和混沌系统的初始值；

将置乱的明文图像矩阵转变成一维序列I₂，对一维序列I₂进行加密，加密公式如下：

将加密后的序列转变成二进制形式，再对其进行比特的循环移位操作，移位公式如下：

C(i)＝circshift[E′(i)，LSB(R′(i))，R(i)] i＝1，...，M×N

以下进行举例说明：

假定C(1)＝circshift[10101101，1，5]，则表示对二进制数10101101进行向右的、5比特的循环移位，并得到结果C(1)＝01101101，转换成十进制为C(1)＝109；

最终对移位后的密文进行异或操作，把序列C(i)转变成序列C′(i)，转换公式如下：

将密文序列C′(i)转换成最终的密文图像；

设标签部分的明文信息为m，用DES加密算法对明文信息进行加密，加密的密钥k为步骤2.1中的二进制序列S的前64位，加密公式如下：

C＝E_k(m)。

应当理解的是，本说明书未详细阐述的部分均属于现有技术。

应当理解的是，上述针对较佳实施例的描述较为详细，并不能因此而认为是对本发明专利保护范围的限制，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明权利要求所保护的范围情况下，还可以做出替换或变形，均落入本发明的保护范围之内，本发明的请求保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (6)

1.一种应用于DICOM格式的医学图像隐私保护方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：构建超混沌系统；

步骤2：利用哈希函数生成超混沌系统的初始值,并对原始明文图像进行空间上的置乱操作；

步骤3：计算新一轮的混沌系统初始值和系统参数，并对置乱的图像进行扩散和比特移位操作，以消除明文之间的统计特性；

步骤4：对移位后的中间密文进行异或操作，以进一步增强密文像素和算法之间的相关性，最终得到加密的密文图像；

步骤5：对DICOM文件的标签信息进行加密。

2.根据权利要求1所述的应用于DICOM格式的医学图像隐私保护方法，其特征在于，步骤1中所述超混沌系统为：

其中a，b，c，d，r是控制参数，x、y、w、z为系统的状态变量。

3.根据权利要求2所述的应用于DICOM格式的医学图像隐私保护方法，其特征在于，步骤2的具体实现包括以下子步骤：

步骤2.1：用SHA-512哈希算法对原始明文图像进行哈希操作，得到一个512比特的二进制序列S，其中M为明文图像数据的行数，N为明文图像数据的列数；

步骤2.2：把二进制序列S平均分成四个二进制序列，每个128比特，并转换成对应的十进制数字得到X₁，X₂，X₃，X₄；

步骤2.3：由下式生成超混沌系统的初始值；

当a＝35，b＝3，c＝12，d＝7，r＝0.6时，系统进入混沌状态，由此得到四个超混沌序列L_n，n＝1，2，3，4；

步骤2.4：对于超混沌序列L₁，舍弃前T个序列值，并依次取从T+1个序列值开始的小数点的前两位和后两位组成一个新的整数，保留原整数的符号，得到序列L′₁，其中T＝M+N+(X₁+X₂+X₃+X₄)mod 256；

步骤2.5：对原始图像像素矩阵进行行与列交替的循环移位，步长为L′₁(n)，n表示为第n个序列值，当序列值为正数时表示向右的循环移位，当序列值为负数时表示为向左的循环移位；

步骤2.6：分别用超混沌序列L₂，L₃，L₄依次重复步骤2.4和步骤2.5各一次，完成原始图像的像素置乱，得到置乱的明文图像

4.根据权利要求3所述的应用于DICOM格式的医学图像隐私保护方法，其特征在于，步骤3的具体实现包括以下子步骤：

步骤3.1：用SHA-512哈希算法对置乱的明文图像进行哈希操作，得到一个512比特的二进制序列S′；

步骤3.2：重复步骤2.2得到四个十进制数字X′₁，X′₂，X′₃，X′₄；

步骤3.3：重复步骤2.3得到四个超混沌序列L′_n，n＝1，2，3，4；

步骤3.4：将置乱的明文图像矩阵转变成一维序列I₂，选取第t个超混沌序列L′_t，舍弃序列前T个序列值，对一维序列I₂进行加密；

t＝((X′₁+X′₂+X′₃+X′₄)mod 4)+1；

其中，F表示原始图像的最大像素值，E表示加密后的一维序列，|·|表示取绝对值，表示向下取整；L′_t(i)表示第t个混沌序列的第i个序列值，I₂表示置乱后的图像序列；

步骤3.5：同样对于第t个超混沌序列L′_t，舍弃序列前T个序列值，将序列L′_t转换成对应的序列R，转换的公式如下：

R(i)＝((L′_t(i)×10¹⁰)mod 7)+1；

步骤3.6：将十进制序列R转换成对应的二进制序列R′；

步骤3.7：把一维序列E转换成对应的二进制序列E′，然后进行循环移位操作，移位公式如下：

C(i)＝circshift[E′(i)，LSB(R′(i))，R(i)]i＝1，...，M×N；

其中LSB(·)表示二进制序列的最低位，函数circshift[u，q，v]表示序列u执行向左或向右的v比特的循环移位，当q＝0表示向左的循环移位，q＝1表示向右的循环移位。

5.根据权利要求4所述的应用于DICOM格式的医学图像隐私保护方法，其特征在于，步骤4的具体实现包括以下子步骤：

步骤4.1：将移位后的图像序列转换成最终密文序列，转换公式如下：

步骤4.2：将密文序列C′(i)转换成最终密文图像。

6.根据权利要求2-5任意一项所述的应用于DICOM格式的医学图像隐私保护方法，其特征在于：步骤5中，设标签部分的明文信息为m，用DES加密算法对明文信息进行加密，加密的密钥k为步骤2.1中的二进制序列S的前64位，加密公式如下：

C＝E_k(m)。