基于輕量級PRINCE加密算法的醫學圖像加密

周路

引言：本文主要基于PRINCE算法的設計原理，提出一種適合醫學圖像的加密方法，能夠很好地適應DICOM醫學圖像數據量大、多維分布的特點。并且把病人隱私信息隱藏在圖像數據中，實現了病人隱私的保護。

一、引言

DICOM（Digital Imaging and Communications in Medicine）即醫學數字成像和通信，它定義了能滿足臨床需要的可用于數據交換的醫學圖像格式。DICOM標準被廣泛應用于放射醫療，心血管成像以及放射診療診斷設備（X射線，CT，核磁共振，超聲等）。

目前常用的加密方法只是將傳統的加密算法直接運用在醫學圖像中， 如DES， AES 等。傳統的加密算法將輸入明文看作二進制流， 沒有考慮醫學圖像本身的特性， 使得其對醫學圖像并不十分適用。因此，我們需要尋找一種適合圖像數據特點的加密方法， 使得其在滿足安全性要求的前提下， 提高加密的效率， 同時保持圖像數據格式的兼容性與傳輸要求。

本文主要基于PRINCE算法的設計原理，提出一種適應醫學圖像的數據特點加密方法，能夠很好地適應DICOM醫學圖像數據量大、多維分布的特點。

二、PRINCE算法

PRINCE算法是2012年亞密會上由Borgho等人提出的低延時的輕量級密碼算法，其明文分組長度為64比特，密鑰長度為128比特。 PRINCE算法允許在硬件實現時在一個時鐘周期內對數據進行加密，在十分有限（competitive）的芯片面積上是一個很好的方案。同時，傳統加密過程中需要反復用一個非常相似的輪函數的情況消失了，這種情況下可以擴寬算法設計的空間。我們的密碼算法認為加密的密鑰和解密的密鑰是相關的（解密密鑰=加密密鑰異或α）。這個屬性我們稱他為α-反射，并證明算法抵抗其攻擊的穩健性。

三、算法實現

PRINCE是一個具有128位的密鑰的64位分組密碼。密鑰被分成兩個64位的部分， ，通過映射擴展到192位。

PRINCE是基于所謂的FX結構，前兩個子密鑰k0和k0用作美白密鑰（whiteningkeys），而密鑰k1為64位密鑰對一個12輪的分組密碼，我們稱之為PRINCE核心。

PRINCEcore描述：

PRINCEcore中每一輪都由一個密鑰異或（KeyAddition），S盒層（S-Layer），線性層（TheMatrices），和輪常數異或（RCi-Add）組成。

密鑰異或（KeyAddition）：

在這里，64位狀態數組和64位的子密鑰進行異或運算。

S盒層（S-Layer）：

加密使用一個4-bit的S盒。S盒的操作在十六進制表示法下由下表給出。

線性層（TheMatrices）：

M/M'-layer.在M和M'-layer的64位狀態被乘以一個64×64矩陣M（resp.M'）。我們在下面進行詳述。

輪常數異或（RCi-Add）：

在RCi-Add步驟中一個64位的輪常數和狀態數組進行異或運算。

解密過程：

從這一事實輪常數滿足RCI⊕RC11-1=α，其M'是對合矩陣，所以，芯密是這樣的逆的PRINCEcore參數化，其中k是等于PRINCEcore參數化與（K⊕α）。我們稱這個屬PRINCEcore為α反射性能。它遵循即，對于任何的擴展密鑰 ：

其中，α是64位的常數α=c0ac29b7c97c50dd（十六進制）。因此，對于解密過程只有做了很簡單的變動（加密密鑰異或α），之后再利用完全相同的程序。

四、DICOM文件加解密流程

DICOM 文件一般由一個 DICOM 文件頭和 DICOM數據集合組成. 文件頭部分包括許多病人的信息， 如病人姓名、身份證號等。

因此， DICOM 文件需要保密的內容包括兩個部分：病人的基本信息和圖像信息.

Step1 提取病人信息。對病人基本信息進行整理，提取出需要隱藏的信息，找到該標簽的位置；

Step2 信息交換。將Step1中提取的信息與圖像數據部分進行交換，實現病人隱私信息的隱藏；

Step3 密鑰異或：使用64位狀態數組和64位的子密鑰進行異或運算；

Step4 S盒置換操作：采用上文給出的一個4-bit的S盒進行置換；

Step5 線性層置換：M/M'-layer.在M和M'-layer的64位狀態被乘以一個64×64矩陣M（resp.M'）；

Step6 輪常數異或：在RCi-Add步驟中一個64位的輪常數和狀態數組進行異或運算；

其解密過程為加密算法的逆過程： 首先還原圖像像素，然后還原病人信息， 重建DICOM 文件。

五、結論

本文主要基于PRINCE算法的設計原理，提出一種適應醫學圖像的加密方法，能夠很好地適應DICOM醫學圖像數據量大、多維分布的特點。首先， 將病人基本信息進行整理，提取出需要隱藏的信息，然后與圖像數據進行交換， 保障了病人隱私. 其次，使用PRINCE算法對圖像進行加密。 實驗結果表明， 該加密方案不僅具有良好的加密效果， 而且保持了 DICOM 文件格式的兼容性，適合進行醫學圖像加密。

（作者單位：四川大學計算機學院）