A NOVEL APPROACH FOR SECURITY AND PERFORMANCE OF MEDICAL IMAGE DATA: DICOM TAG ENCRYPTION

Öz

The rapid advancements in digital health technologies have led to an unprecedented increase in the volume of medical imaging data produced by imaging devices and shared among healthcare institutions. Images obtained from various modalities such as Magnetic Resonance (MR), Computed Tomography (CT), Ultrasonography (US), Digital X-ray (DX), and Mammography (MG) have become indispensable components of diagnosis and treatment processes. However, the storage and transmission of these data in digital environments bring critical challenges, including the protection of patient privacy and the assurance of data security. The DICOM (Digital Imaging and Communications in Medicine) format, which is the industry standard in medical imaging, contains not only image pixel data but also sensitive metadata such as patient identification information, acquisition parameters, and device characteristics. This situation necessitates the protection of DICOM files against unauthorized access. This study proposes the DICOM tag encryption method as an innovative approach for the security of medical image data and presents a detailed performance analysis of this method. The fundamental principle of the proposed approach is to perform encryption by targeting only the tag (metatag) part, which concerns patient privacy, rather than encrypting the entire DICOM file. In this way, the integrity and quality of the image data, which is vital for medical diagnosis, are preserved while sensitive patient information is secured. Within the scope of the study, the proposed tag encryption method was comparatively analyzed with the traditional full-file encryption method. Both methods were implemented using the symmetric encryption algorithms 3DES (Triple Data Encryption Standard) and AES (Advanced Encryption Standard), as well as the asymmetric encryption algorithm RSA (Rivest-Shamir-Adleman). Performance evaluation was conducted on 95 different anonymous DICOM images obtained from various medical modalities (MR, CT, CR, DX, US, MG, OT, EK, IO), based on encryption and decryption times. The findings demonstrate that the proposed DICOM tag encryption approach, especially when used with the AES algorithm, exhibits significantly superior performance compared to the full-file encryption method in all modalities except Magnetic Resonance (MR) images. AES was the least affected algorithm by the increase in the number of tags, while RSA showed a near-linear increase in encryption time as the number of tags increased. In file size analysis, it was determined that the full-file encryption method was faster for small files below approximately 0.5 MB (especially MR images), but for larger files, all tag encryption methods performed better than full-file encryption.

Anahtar Kelimeler

• DICOM Encryption
• DICOM Data Security
• DICOM Tag Data Security.

TIBBİ GÖRÜNTÜ VERİLERİNİN GÜVENLİĞİ VE PERFORMANSI İÇİN YENİ BİR YAKLAŞIM: DICOM ETİKET ŞİFRELEME

Öz

Dijital sağlık teknolojilerindeki hızlı gelişmeler, tıbbi görüntüleme cihazları tarafından üretilen veri hacmini ve bu verilerin sağlık kuruluşları arasında paylaşımını benzeri görülmemiş bir seviyeye ulaştırmıştır. Manyetik Rezonans (MR), Bilgisayarlı Tomografi (BT), Ultrasonografi (US), Dijital Röntgen (DX) ve Mamografi (MG) gibi çeşitli modalitelerden elde edilen bu görüntüler, teşhis ve tedavi süreçlerinin vazgeçilmez unsurlarıdır. Ancak, bu verilerin dijital ortamda saklanması ve iletilmesi, beraberinde hasta mahremiyetinin korunması ve veri güvenliğinin sağlanması gibi kritik sorunları da getirmektedir. Tıbbi görüntüleme alanında endüstri standardı olan DICOM (Digital Imaging and Communications in Medicine) formatı, görüntü verisinin yanı sıra hastaya ait kimlik bilgileri, çekim parametreleri ve cihaz özellikleri gibi hassas üst verileri (metadata) de bünyesinde barındırmaktadır. Bu durum, DICOM dosyalarının yetkisiz erişime karşı korunmasını zorunlu kılmaktadır. Bu çalışma, tıbbi görüntü verilerinin güvenliği için yenilikçi bir yaklaşım olarak DICOM etiket şifreleme yöntemini önermekte ve bu yöntemin performans analizini detaylı bir şekilde sunmaktadır. Önerilen yaklaşımın temel prensibi, DICOM dosyasının tamamını şifrelemek yerine, yalnızca hasta mahremiyetini ilgilendiren etiket (metadata) kısmını hedef alarak şifreleme işlemini gerçekleştirmektir. Bu sayede, tıbbi teşhis için hayati öneme sahip olan görüntü verisinin bütünlüğü ve kalitesi korunurken, hassas hasta bilgileri güvence altına alınmaktadır. Çalışma kapsamında, önerilen etiket şifreleme yöntemi, geleneksel dosya şifreleme yöntemiyle karşılaştırmalı olarak analiz edilmiştir. Her iki yöntem, simetrik şifreleme algoritmalarından 3DES (Triple Data Encryption Standard) ve AES (Advanced Encryption Standard) ile asimetrik şifreleme algoritması RSA (Rivest-Shamir-Adleman) kullanılarak uygulanmıştır. Performans değerlendirmesi, şifreleme ve şifre çözme süreleri temel alınarak, farklı tıbbi modalitelerden (MR, CT, CR, DX, US, MG, OT, EK, IO) elde edilmiş 95 farklı anonim DICOM görüntüsü üzerinde gerçekleştirilmiştir. Elde edilen bulgular, önerilen DICOM etiket şifreleme yaklaşımının, özellikle AES algoritması ile birlikte kullanıldığında, Manyetik Rezonans (MR) görüntüleri haricindeki tüm modalitelerde dosya şifreleme yöntemine göre belirgin şekilde daha üstün bir performans sergilediğini göstermektedir. Etiket sayısındaki artıştan en az etkilenen algoritma AES olurken, RSA algoritmasında etiket sayısındaki artış şifreleme süresini doğrusal olarak artırmıştır. Dosya boyutu analizinde, yaklaşık 0.5 MB'ın altındaki küçük dosyalarda (özellikle MR görüntüleri) dosya şifreleme yönteminin daha hızlı olduğu, ancak daha büyük dosyalarda tüm etiket şifreleme yöntemlerinin dosya şifrelemeye göre daha iyi performans gösterdiği tespit edilmiştir.

Anahtar Kelimeler

• DICOM Şifreleme
• DICOM Veri Güvenliği
• DICOM Etiket Veri Güvenliği

Kaynakça

1. 1. Mustra, M., Delac, K., Grgic, M., “Overview of the DICOM standard”, 50th International Symposium ELMAR, Pages 39-44, Zadar, Croatia, 2008.
2. 2. National Electrical Manufacturers Association, “Digital Imaging and Communications in Medicine (DICOM) Standard, Part 1: Introduction and Overview”, https://www.dicomstandard.org/current/, Erişim Tarihi: 6 Mayıs 2026, 2023.
3. 3. Karagiannis, S., Magkos, E., Ntantogian, C., Cabecinha, R., Fotis, T., “Cybersecurity and Medical Imaging: A Simulation-Based Approach to DICOM Communication”, Applied Sciences, Vol. 13, Issue 18, Pages 1-22, 2023.
4. 4. IHE International, “IHE IT Infrastructure (ITI) Technical Framework, Volume 1 (ITI TF-1): IntegrationProfiles”,https://www.ihe.net/resources/technical_frameworks/ , Erişim Tarihi: 6 Mayıs 2026, 2022.
5. 5. Kang, S.U., Kim, I., Park, S.W., Kim, W.J., Jang, J.W., Sung, K., “De-identification Strategy and Re-identification Risks for Facial Computed Tomography Images via Deep Learning”, Journal of Imaging Informatics in Medicine, Vol. 39, Pages 1-12, 2026.
6. 6. Council of the European Union, “General Data Protection Regulation (GDPR)”, Official Journal of the European Union, Vol. 119, Pages 1-88, 2016.
7. 7. Kondylakis, H., Ciarrocchi, E., Cerda-Alberich, L., Chouvarda, I., Fromont, L.A., Garcia-Aznar, J.M., Kalokyri, V., Kosyva, A., Walker, D., Yang, G., Neri, E., “Position of the AI for Health Imaging (AI4HI) network on metadata models for imaging biobanks”, European Radiology Experimental, Vol. 6, Issue 1, Pages 1-15, 2022.
8. 8. Desjardins, B., Mirsky, Y., Ortiz, M.P., Glozman, Z., Tarbox, L., Horn, R., Horii, S.C., “DICOM images have been hacked! Now what?”, American Journal of Roentgenology, Vol. 214, Issue 4, Pages 727-735, 2020.

9. 9. Stites, M., Pianykh, O.S., “How secure is your radiology department? Mapping digital radiology adoption and security worldwide”, American Journal of Roentgenology, Vol. 206, Issue 4, Pages 797-804, 2016.
10. 10. Oh, S., Lee, E., Lee, S., Park, J., Park, S., Kim, G., “Forensic detection of medical image manipulation using PACS and DICOM artifacts”, Journal of Forensic Sciences, Vol. 71, Issue 1, Pages 371-387, 2026.
11. 11. Eichelberg, M., Kleber, K., Kämmerer, M., “Cybersecurity in PACS and medical imaging: An overview”, Journal of Digital Imaging, Vol. 33, Issue 6, Pages 1527-1542, 2020.
12. 12. Sharma, P., Kiron, S.P., Aju, D., Lal, A.M., “An enhanced security framework for secured transfer of DICOM images by ensuring the CIA triad”, Multimedia Tools and Applications, Vol. 84, Issue 34, Pages 43369-43394, 2025.
13. 13. Al-Haj, A., “Providing integrity, authenticity, and confidentiality for header and pixel data of DICOM images”, Journal of Digital Imaging, Vol. 28, Issue 2, Pages 179-187, 2015.
14. 14. Navamani, T.M., Bharadwaj, A., Agrawal, R., Agarwal, U., “Secure Transmission of DICOM Images by comparing different cryptographic algorithms”, Materials Today: Proceedings, Vol. 15, Pages A1-A11, 2019.
15. 15. Caffery, L.J., Clunie, D., Curiel-Lewandrowski, C., Malvejy, J., Soyer, H.P., Halpern, A.C., “Transforming Dermatologic Imaging for the Digital Era: Metadata and Standards”, Journal of Digital Imaging, Vol. 31, Issue 4, Pages 568-577, 2018.
16. 16. Larobina, M., “Thirty Years of the DICOM Standard”, Tomography, Vol. 9, Issue 4, Pages 1454-1462, 2023.
17. 17. Basso, T., Matsunaga, R., Moraes, R., Antunes, N., “Challenges on Anonymity, Privacy and Big Data”, Latin-American Symposium on Dependable Computing (LADC), Pages 164-171, 2016.
18. 18. Aryanto, K.Y.E., Oudkerk, M., van Ooijen, P.M.A., “Free DICOM de-identification tools in clinical research: functioning and safety of patient privacy”, European Radiology, Vol. 25, Issue 12, Pages 3685-3695, 2015.
19. 19. González, D.R., Carpenter, T., van Hemert, J.I., Wardlaw, J., “An open source toolkit for medical imaging de-identification”, European Radiology, Vol. 20, Issue 8, Pages 1896-1904, 2010.
20. 20. Ahmed, S.T., Hammood, D.A., Chisab, R.F., Al-Naji, A., Chahl, J., “Medical Image Encryption: A Comprehensive Review”, Computers, Vol. 12, Issue 8, Pages 1-31, 2023.
21. 21. Odeh, A., Taleb, A.A., Alhajahjeh, T., Navarro, F., “A Privacy-Enhancing Image Encryption Algorithm for Securing Medical Images”, Symmetry, Vol. 17, Issue 9, Pages 1-23, 2025.
22. 22. Chen, Y.Y., Lu, J.C., Jan, J.K., “A Novel Key Management Solution for Reinforcing Compliance With HIPAA Privacy/Security Regulations”, IEEE Transactions on Information Technology in Biomedicine, Vol. 15, Issue 4, Pages 550-556, 2011.
23. 23. Shahid, A., Hosseinzadeh Bazargani, M., Banahan, P., Regan, G., Treacy, C., MacNamee, B., Kechadi, T., MacMahon, P., “A Two-Stage De-Identification Process for Privacy-Preserving Medical Image Analysis”, Healthcare, Vol. 10, Issue 5, Pages 1-25, 2022.
24. 24. Pervan, B., Tomic, S., Ivandic, H., Knezovic, J., “MIDOM—A DICOM-Based Medical Image Communication System”, Applied Sciences, Vol. 13, Issue 10, Pages 1-19, 2023.
25. 25. Al Siam, A., Hassan, M.M., Bhuiyan, T., “Secure Medical Imaging: A DICOM to JPEG 2000 Conversion Algorithm with Integrated Encryption”, 4th IEEE International Conference on AI in Cybersecurity (ICAIC), Pages 1-6, Texas, USA, 2025.