MMIF: GPU-Accelerated Parallel Cryptographic Permutation Network for Secure Multimodal Medical Image Fusion in Brain Tumor Detection

في المستشفى الحديث، أصبحت قدرة الطبيب على رؤية داخل جسم الإنسان أكثر دقة من أي وقت مضى. فمن خلال الجمع بين الصور من ماسحات ضوئية مختلفة — مثل الخرائط الهيكلية التفصيلية من الأشعة المقطعية (CT)، ووضوح الأنسجة الرخوة من الرنين المغناطيسي (MRI)، والنشاط الأيضي الذي تظهره الأشعة المقطعية بالإصدار البوزيتروني (PET) — يمكن للأطباء بناء صورة شاملة واحدة لورم في الدماغ. هذه العملية، المعروفة باسم دمج الصور متعدد الوسائط، حيوية للتشخيص الدقيق والتخطيط الجراحي. ومع ذلك، فإن هذه الأداة القوية تخلق ثغرة جديدة؛ فهذه الصور المدمجة تحتوي على بيانات حساسة للغاية للمرضى، ومع انتقالها بين أجهزة الكمبيوتر أو تخزينها للمراجعة اللاحقة، تكون عرضة للسرقة أو المشاهدة من قبل أعين غير مصرح لها. إن حماية هذه البيانات أمر ضروري، لكن الطرق التقليدية لإغلاقها بإحكام غالبًا ما تأتي بثمن باهظ: فهي بطيئة. ففي العيادة المزدحمة، حتى بضع ثوانٍ من التأخير بينما يقوم الكمبيوتر بتشفير صورة يمكن أن تعطل تدفق الرعاية، مما يجبر الأطباء على الانتظار قبل أن يتمكنوا من رؤية النتائج التي يحتاجونها.

لقد طور فريق من الباحثين في جامعة VIT-AP طريقة جديدة لتأمين هذه الصور الطبية تحل مشكلة السرعة هذه دون التضحية بالأمان. نهجهم، الذي يسمًا "شبكة التبديل التشفيري المتوازي"، يغير بشكل جذري كيفية عمل عملية التشفير. فبدلاً من التعامل مع الصورة ككتلة واحدة من البيانات يجب قفلها خطوة بخطوة، قاموا بتفكيك الصورة إلى ثماني طبقات منفصلة، أو ما يعرف بـ "مستويات البت" (bit-planes). تخيل صورة رقمية ككومة من الأوراق الشفافة، حيث تحمل كل ورقة قطعة محددة من المعلومات المرئية. أدرك الباحثون أنه يمكن خلط هذه الأوراق بشكل مستقل ومتزامن، بدلاً من القيام بذلك واحدة تلو الأخرى. ومن خلال القيام بذلك باستخدام معالجات الرسوميات القوية، المصممة للتعامل مع آلاف المهام في وقت واحد، حولوا عملية تسلسلية بطيئة إلى عملية متوازية سريعة.

يتضمن جوهر طريقتهم استخداماً ذكياً للفوضى والترميز المستوحى من البيولوجيا لإنشاء أنماط الخلط. يقوم النظام أولاً بتوليد تسلسل فوضوي، وهو عبارة عن تدفق من الأرقام التي تبدو عشوائية وحساسة للغاية لظروفها الأولية، تماماً كما يمكن لتغيير طفيف في الطقس أن يؤدي إلى عاصفة مختلفة تماماً بعد أيام لاحقاً. ثم يتم ترجمة هذا التدفق الفوضوي إلى رمز يعتمد على اللبنات الأربع للحمض النووي (DNA). تُستخدم هذه الرموز البيولوجية لإنشاء مجموعة فريدة من التعليمات لإعادة ترتيب البكسلات في كل طبقة من طبقات الصورة الثمانية. ولأن الطبقات تتم معالجتها في نفس الوقت، لا يتعين على الكمبيوتر انتظار انتهاء طبقة واحدة قبل بدء الطبقة التالية. وبمجرد خلط الطبقات، يتم إعادة تجميعها في صورة واحدة وإعطاؤها طبقة أخيرة من الحماية باستخدام عملية رياضية بسيطة تمزج البيانات مع تدفق ثانٍ من الأرقام العشوائية. تضمن هذه الخطوة النهائية أنه حتى التغيير الطفيف في الصورة الأصلية سيؤدي إلى نسخة مشفرة مختلفة تماماً، مما يجعل من الصعب جداً على المهاجم تخمين المحتوى الأصلي، رغم أن الباحثين يشيرون إلى أن مهاجماً مصمماً يمتلك حق الوصول إلى أزواج محددة من (النص الصريح - النص المشفر) قد يتمكن من إعادة بناء التسلسلات الأساسية.

عندما اختبر الباحثون نظامهم على صور أورام الدماغ، كانت النتائج مذهلة. حققت الطريقة الجديدة مستوى من الأمان يضاهي التقنيات الأكثر تعقيداً الموجودة، حيث أظهرت الصور المشفرة عدم وجود أي أنماط يمكن تمييزها وبدت كضجيج عشوائي لأي مراقب. والأهم من ذلك، كانت السرعة تحولية؛ فبينما كانت الطرق القديمة تستغرق أكثر من اثني عشر مللي ثانية لتشفير صورة طبية قياسية، أكمل هذا النظام المهمة في 0.32 مللي ثانية فقط. هذا يمثل زيادة في السرعة بنحو ثلاثين ضعفاً مقارنة بالأساليب التقليدية. استخدم النظام معالج الرسوميات الخاص بالكمبيوتر بكامل طاقته، حيث وصل الاستخدام إلى 92.4 بالمائة، في حين كافحت الطرق القديمة لاستخدام حتى خمس القدرة المتاحة بسبب طبيعتها الخطوة بخطوة التي منعتها من العمل بالتوازي.

وعلى نحو حاسم، أكد الباحثون أن هذا التشفير السريع لم يضر بالقيمة الطبية للصور. ولأن العملية قابلة للعكس رياضياً، يمكن استعادة الصورة المدمجة الأصلية تماماً بعد فك التشفير، دون أي فقدان في التفاصيل أو الجودة. وهذا يعني أن الجراح يمكنه عرض الصورة المشفرة، وفك تشفيرها فوراً، ورؤية حدود الورم تماماً كما كانت قبل ذلك، دون أي تشويه قد يؤدي إلى خطأ في التشخيص. كما أظهرت الدراسة أن النظام قوي ضد أنواع مختلفة من الهجمات السيبرانية، بما في ذلك الحالات التي يحاول فيها المهاجم تخمين المفتاح من خلال تحليل كيفية تأثير التغييرات الصغيرة في المدخلات على المخرجات. لقد شكل الجمع بين الخلط المستوحى من الحمض النووي وخطوة المزج النهائية درعاً قوياً حافظ على أمن البيانات مع التحرك بسرعة تدفقات العمل السريري الحديث.

يشير هذا العمل إلى أنه يمكن إزالة عقبة التشفير البطيء في التصوير الطبي من خلال إعادة التفكير في بنية نظام الأمان نفسه. فمن خلال الابتعاد عن القفل المتسلسل خطوة بخطوة وتبني المعالجة المتوازية، من الممكن حماية خصوصية المريض دون إبطاء الأطباء الذين يحتاجون لإنقاذ الأرواح. ويقر الباحثون بأنه بينما طريقتهم فعالة للغاية على الأجهزة المحددة التي اختبروها، فإن العمل المستقبلي سيحتاج إلى استكشاف كيفية أدائها على أنواع مختلفة من أجهزة الكمبيوتر وأنواع مختلفة من الصور الطبية. كما يشيرون إلى أنه لكي يتم اعتماد النظام على نطاق واسع في المستشفيات، سيتعين دمجه مع بروتوكولات الأمان وأنظمة إدارة المفاتيح التي تُستخدم بالفعل. ومع ذلك، توفر الدراسة مساراً واضحاً للمضي قدماً: طريقة آمنة وسريعة وغير مسببة لفقدان البيانات للتعامل مع البيانات الحساسة التي تقود الكشف عن أورام الدماغ الحديثة، مما يضمن أن التكنولوجيا المستخدمة لعلاج المرضى تظل آمنة من أولئك الذين قد يلحقون بهم الضرر.