基于轻量级PRINCE加密算法的医学图像加密

周路

引言：本文主要基于PRINCE算法的设计原理，提出一种适合医学图像的加密方法，能够很好地适应DICOM医学图像数据量大、多维分布的特点。并且把病人隐私信息隐藏在图像数据中，实现了病人隐私的保护。

一、引言

DICOM（Digital Imaging and Communications in Medicine）即医学数字成像和通信，它定义了能满足临床需要的可用于数据交换的医学图像格式。DICOM标准被广泛应用于放射医疗，心血管成像以及放射诊疗诊断设备（X射线，CT，核磁共振，超声等）。

目前常用的加密方法只是将传统的加密算法直接运用在医学图像中， 如DES， AES 等。传统的加密算法将输入明文看作二进制流， 没有考虑医学图像本身的特性， 使得其对医学图像并不十分适用。因此，我们需要寻找一种适合图像数据特点的加密方法， 使得其在满足安全性要求的前提下， 提高加密的效率， 同时保持图像数据格式的兼容性与传输要求。

本文主要基于PRINCE算法的设计原理，提出一种适应医学图像的数据特点加密方法，能够很好地适应DICOM医学图像数据量大、多维分布的特点。

二、PRINCE算法

PRINCE算法是2012年亚密会上由Borgho等人提出的低延时的轻量级密码算法，其明文分组长度为64比特，密钥长度为128比特。 PRINCE算法允许在硬件实现时在一个时钟周期内对数据进行加密，在十分有限（competitive）的芯片面积上是一个很好的方案。同时，传统加密过程中需要反复用一个非常相似的轮函数的情况消失了，这种情况下可以扩宽算法设计的空间。我们的密码算法认为加密的密钥和解密的密钥是相关的（解密密钥=加密密钥异或α）。这个属性我们称他为α-反射，并证明算法抵抗其攻击的稳健性。

三、算法实现

PRINCE是一个具有128位的密钥的64位分组密码。密钥被分成两个64位的部分， ，通过映射扩展到192位。

PRINCE是基于所谓的FX结构，前两个子密钥k0和k0用作美白密钥（whiteningkeys），而密钥k1为64位密钥对一个12轮的分组密码，我们称之为PRINCE核心。

PRINCEcore描述：

PRINCEcore中每一轮都由一个密钥异或（KeyAddition），S盒层（S-Layer），线性层（TheMatrices），和轮常数异或（RCi-Add）组成。

密钥异或（KeyAddition）：

在这里，64位状态数组和64位的子密钥进行异或运算。

S盒层（S-Layer）：

加密使用一个4-bit的S盒。S盒的操作在十六进制表示法下由下表给出。

线性层（TheMatrices）：

M/M'-layer.在M和M'-layer的64位状态被乘以一个64×64矩阵M（resp.M'）。我们在下面进行详述。

轮常数异或（RCi-Add）：

在RCi-Add步骤中一个64位的轮常数和状态数组进行异或运算。

解密过程：

从这一事实轮常数满足RCI⊕RC11-1=α，其M'是对合矩阵，所以，芯密是这样的逆的PRINCEcore参数化，其中k是等于PRINCEcore参数化与（K⊕α）。我们称这个属PRINCEcore为α反射性能。它遵循即，对于任何的扩展密钥 ：

其中，α是64位的常数α=c0ac29b7c97c50dd（十六进制）。因此，对于解密过程只有做了很简单的变动（加密密钥异或α），之后再利用完全相同的程序。

四、DICOM文件加解密流程

DICOM 文件一般由一个 DICOM 文件头和 DICOM数据集合组成. 文件头部分包括许多病人的信息， 如病人姓名、身份证号等。

因此， DICOM 文件需要保密的内容包括两个部分：病人的基本信息和图像信息.

Step1 提取病人信息。对病人基本信息进行整理，提取出需要隐藏的信息，找到该标签的位置；

Step2 信息交换。将Step1中提取的信息与图像数据部分进行交换，实现病人隐私信息的隐藏；

Step3 密钥异或：使用64位状态数组和64位的子密钥进行异或运算；

Step4 S盒置换操作：采用上文给出的一个4-bit的S盒进行置换；

Step5 线性层置换：M/M'-layer.在M和M'-layer的64位状态被乘以一个64×64矩阵M（resp.M'）；

Step6 轮常数异或：在RCi-Add步骤中一个64位的轮常数和状态数组进行异或运算；

其解密过程为加密算法的逆过程： 首先还原图像像素，然后还原病人信息， 重建DICOM 文件。

五、结论

本文主要基于PRINCE算法的设计原理，提出一种适应医学图像的加密方法，能够很好地适应DICOM医学图像数据量大、多维分布的特点。首先， 将病人基本信息进行整理，提取出需要隐藏的信息，然后与图像数据进行交换， 保障了病人隐私. 其次，使用PRINCE算法对图像进行加密。 实验结果表明， 该加密方案不仅具有良好的加密效果， 而且保持了 DICOM 文件格式的兼容性，适合进行医学图像加密。

（作者单位：四川大学计算机学院）