Evaluating the use of diffuse correlation spectroscopy for non destructive quality assessment of food

The need for non-invasive and low-cost medical techniques that generate a high-quality diagnosis is increasing. Spectroscopic techniques are particularly suitable in this field, particularly, Diffuse Correlation Spectroscopy (DCS) and Time Resolved Spectroscopy (TRS), exploit Near Infrared ligth (NIR) to monitor optical and hemodynamic properties of living tissues. In this thesis, a hybrid TRS and DCS device is used to analyze the optical and dynamical properties (absorption and scattering coefficients, and the diffusion coefficient, respectively) of different types of fruit. As fruit has never been studied before with this kind of devices, this project aims to test the possibility of using these techniques to evaluate fruit’s characteristics. Moreover, it aims to evaluate how well two different theoretical models can evaluate and fit the obtained data. These two models approximate the fruits as semi-infinite homogeneous media and in one case all the scattering particles are approximated to move with Brownian motion, in the second model a percentage of the static background ones is taken into account. The results obtained with them were compared and presented here as well. The two main objectives of this work are those mentioned above: - Evaluate and study different types of fruit with the hybrid DCS and TRS device, to see how viable are the obtained results. In order to have a point of comparison, specially made phantoms that are engineered to have similar characteristics to those of living tissues, are used too. Fruit is chosen for this analysis because it is hypothesized that their juicy interior may resemble living tissue up to a certain point, and therefore the obtained results may be interesting to analyze. - Compare two different theoretical models to see if any of them fits the data in a better way and yields better results in general. After a theoretical introduction in the first chapters, the used device is introduced and the experimental results obtained for both the phantoms and the fruit are discussed. In general, the results obtained for the fruit show a remarkable variation between types of fruit or even between the different measurements made for the same fruit. This is further discussed at the end of this work. A brief outline for future improvements is given in the final chapter.

La necessità di tecniche mediche non invasive e a basso costo che generino una diagnosi di alta qualità è in aumento. Una di esse è la spettroscopia, in particolare, la spettroscopia a correlazione diffusa (DCS) e la spettroscopia risolta nel tempo (TRS), che sfruttano luce nel vicino infrarosso (NIRS), vengono spesso utilizzate per la loro capacità di monitorare il tessuto vivente e le sue proprierà ottiche ed emodinamiche. In questa tesi, un dispositivo ibrido che combina moduli DCS e TRS viene utilizzato per analizzare le proprietà ottiche e dinamiche (coefficienti di assorbimento e scattering e coefficiente di diffusione, rispettivamente) di diversi tipi di frutta. Poiché la frutta non è mai stata studiata prima con questo tipo di dispositivi, questo progetto vuole testare la possibilità di sfruttare queste tecniche per investigare le caratteristiche dei frutti. Mira anche a valutare quanto bene due diversi li teorici siano adatti ad analizzare i dati ottenuti. In particolare, nei modelli utilizzati si approssimano i frutti come mezzi omogenei semi-infiniti ed in un caso le particelle scatteranti si muovono di moto Browniano ed in un secondo caso una percentuale di elementi scatteranti sono statici. I risultati ottenuti sono messi a confronto e presentati. I due obiettivi principali di questo lavoro sono quelli sopra menzionati: - Valutare e studiare diversi tipi di frutta con il dispositivo ibrido DCS e TRS, per testare la validità dei risultati ottenuti. Per valutare la possibilità di utilizzo di queste tecniche su materiali di diversa composizione e rigidità, sono stati utilizzati anche fantocci appositamente progettati per avere caratteristiche simili a quelle dei tessuti viventi. La frutta viene scelta per questa analisi ipotizzando che il loro interno succoso possa assomigliare a tessuto vivente. - Confronto di due diversi modelli teorici per stabilire quale di essi si adatta meglio alle misure effettuate e produce risultati migliori. Dopo un'introduzione teorica nei primi capitoli, viene presentato il dispositivo utilizzato e vengono discussi i risultati sperimentali ottenuti sia per i fantocci che per il frutto. In generale, i risultati ottenuti per il frutto presentano un’elevata variabilità tra i tipi di frutta e anche tra le diverse misurazioni effettuate per lo stesso frutto. I risultati sono ulteriormente discussi alla fine di questo lavoro. Nel capitolo finale viene fornita una breve descrizione di possibili miglioramenti futuri.