DE102004052083A1 - Digital electronic diagnostic method and mobile device for non-invasive determination of lactate level, using two dimensional virtual scatter plot - Google Patents
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Abstract
Description
Zweck der ErfindungPurpose of invention
Im Bereich der medizinischen Prophylaxe, in der sportlichen Praxis, in der Heilgymnastik und im Bereich der medizinischen Rehabilitation werden konstitutionsangepassten körperliche Übungen zur physiologischen Leistungsfähigkeit unter messtechnisch kontrollierbaren Bedingungen durchgeführt. Da ein unzureichend trainierter menschlicher Körper und eine zunehmende private und berufliche Stressbelastung durch eine moderne Lebensweise die Zunahme entsprechender Erkrankungen fördert. Patienten über dreißig Jahren werden, je nach Leistungsfähigkeit, sehr häufig auch schon prophylaktisch, spezielle individuelle körperliche Übungen ärztlich verordnet. Zu einer vollständigen Leistungsbeurteilung eines Probanten muss neben der Bestimmung der mechanischen Muskelleistung in aufeinanderfolgenden Belastungsstufen, die maximale Herzfrequenz und ihr Anstieg mit der Belastung, sowie der Anstieg der Lactatkonzentration (Konzentration der Salze und Ester der Milchsäure aus der arbeitenden Skelettmuskulatur) in Abhängigkeit von der Belastung unter messtechnisch kontrollierbaren Bedingungen erfasst werden. Zur Lactatwert-Bestimmung werden Blutproben aus dem Ohrläppchen am Ende der jeweiligen Belastungsstufe genommen. Die stationäre Auswertung erfolgt später im Labor mit Hilfe eines speziellen Computerprogramms. Die ermittelte individuelle Lactat-Schwelle, ab der eine Übersäuerung des menschlichen Körpers eintritt, lässt Rückschlüsse auf die Leistungsfähigkeit des Probanden zu und ist ein sehr wichtiger Parameter für die Erstellung eines individuellen Therapie- und Ausdauer-Trainingsprogramms. Der Erfindungsgegenstand „ein digitales, elektronisches Diagnose-Verfahren zur unblutigen Lactat-Leistungsbestimmung u. einer mobile Messvorrichtung zur elektronischen Durchführung" beinhaltet ein digitales elektronisches softwaregestütztes Diagnose-Verfahren unter Benutzung eines Mikrocontrollers und in einem Mikrocontroller-ROM fest programmierten speziellen neu entwickelten Algorithmen zur unblutigen sensorischen Erfassung und zur mikrocontrollergestützten vollelektronischen Auswertung und Überwachung der Lactat-Leistungswerte sowie der wichtigen Lactatwert-Schwelle (dem Übersäuerungspunktes) bei einer mehrstufigen körperlicher Belastung (biomechanische Muskelleistung) unter der Berücksichtigung der Herzfrequenz eines sich im Freien gehend, laufend oder rennend bewegenden Probanten.in the Field of medical prophylaxis, in sports practice, in physiotherapy and in the field of medical rehabilitation become constitutionally adapted physical exercises to the physiological capacity carried out under metrologically controllable conditions. There a insufficiently trained human body and increasing private and occupational stress through a modern lifestyle Increase in the corresponding diseases. Patients over thirty years be, depending on performance, very often also prophylactically, special individual physical exercises medical prescribed. To a complete Performance assessment of a test person must be in addition to the determination of mechanical muscle performance in successive stress levels, the maximum heart rate and its increase with the load, as well the increase in lactate concentration (concentration of salts and Esters of lactic acid from working skeletal muscle) depending on the load be recorded under metrologically controllable conditions. For Lactatwert determination blood samples from the earlobe am Taken at the end of the respective stress level. The stationary evaluation takes place later in the laboratory with the help of a special computer program. The determined individual lactate threshold above which acidification of the human body occurs lets you draw conclusions the efficiency of the subject and is a very important parameter for the creation an individual therapy and endurance training program. Of the Subject of the invention digital, electronic diagnostic procedure for bloodless lactate performance determination u. a mobile measuring device for electronic implementation "includes a digital electronic software supported Diagnosis method using a microcontroller and in a newly programmed specially programmed microcontroller ROM Algorithms for bloodless sensory acquisition and microcontroller-based fully electronic Evaluation and monitoring the lactate performance and the important lactate threshold (the hyperacidity point) in a multi-level physical stress (biomechanical muscle performance) taking into account the heart rate a student walking outside, walking or running.
Unter der Lactatkonzentration versteht man die Konzentration der Salze und Ester der Milchsäure aus der biomechanisch arbeitenden Skelettmuskulatur. Es gibt zur messtechnischen Erfassung der Lactatkonzentration grundsätzlich zwei unterschiedliche technische Verfahren: Den stationären Labor-Test und den mobilen Feld-Test. Under The lactate concentration is the concentration of the salts and esters of lactic acid the biomechanically working skeletal muscle. There are metrological Capture of lactate concentration basically two different technical Procedure: The stationary Laboratory test and the mobile field test.
Stationäre Lactat-Leistungstests (Labor-Tests) werden meistens mit sog. Fahrradergometern durchgeführt. Nach dem Aufwärmen der Muskulatur bei geringer biomechanischer Belastung werden typischerweise die Belastungsstufen so gewählt, dass die Belastung alle 3 Minuten um 25 – 50 Watt (je nach Leistungsfähigkeit) bis zur sog. Ausbelastung gesteigert wird (ca. 4 – 6 Stufen). Die Tretfrequenz wird dabei konstant gehalten und der Puls wird laufend kontrolliert. Blutproben aus dem Ohrläppchen werden zum Ende der jeweiligen Belastungsstufe genommen. Im Lactat-Test werden die Milchsäurewerte gemessen. Der im Lactat-Test ermittelte Lactat-Schwellwert lässt Rückschlüsse auf Leistungsfähigkeit des Probanden zu und ist ein sehr wichtiger Parameter für die Erstellung eines individuellen Trainingsprogramms.Stationary lactate performance tests (Laboratory tests) are usually carried out with so-called bicycle ergometers. To the warm-up Muscles at low biomechanical load typically become the load levels are chosen so that the load every 3 minutes by 25 - 50 watts (depending on performance) is increased to the so-called load (about 4 - 6 stages). The pedaling frequency is kept constant and the pulse is constantly monitored. Blood samples from the earlobe become the end of the earlobe respective load level taken. In the lactate test, the lactic acid values are measured. The lactate threshold determined in the lactate test allows conclusions to be drawn capacity of the subject and is a very important parameter for the creation an individual training program.
Mobile Lactat-Leistungstests (Lauf-Feldtests) werden meistens auf geeigneten Kunststoffbahnen durchgeführt. Nach der Aufwärmphase bei niedrigem Tempo (Walking bei Einsteigern) werden typischerweise die Belastungsstufen so gewählt, dass alle 800 – 1200 m (je nach Leistungsfähigkeit) die Belastung um 7-10 Pulsschläge bis zur Ausbelastung gesteigert wird (insgesamt 4 – 6 Stufen). Der Puls muss laufend kontrolliert werden. Zur Lactatwert-Bestimmung werden Blutproben aus dem Ohrläppchen am Ende der jeweiligen Belastungsstufe genommen. Die stationäre Auswertung im Labor erfolgt heute mit Hilfe eines speziellen Computerprogramms, welches die Bestimmung der individuellen Lactat-Schwelle ermöglicht. Die früher üblich bestimmte 4 mmol-Schwelle stellt eine sehr starke Vereinfachung dar, da individuelle anaerobe Schwellen normalerweise im Bereich von 3-5 mmol liegen. Die Angabe einer festen 4 mmol-Schwelle bedeutet für Probanden oft eine Über-oder aber Unterbelastung. Daher basieren heute die Trainingshinweise grundsätzlich auf der individuell bestimmten anaeroben (aerob = sauerstoffabhängig) Schwelle. Bei der aeroben Ausdauer steht genügend Sauerstoff zur oxidativen Verbrennung von Glykogen (tierische Stärke) und von Fettsäuren zur Verfügung. Eine anaerobe Ausdauer liegt dann vor, wenn die Sauerstoffzufuhr zur oxidativen Verbrennung unzureichend ist und die Stoffwechselvorgänge, die ohne Beteiligung von Sauerstoff ablaufen (anaerob = anoxidativ), eine wesentliche Rolle spielen. Im Mittelpunkt der anaeroben Energiewandlung steht die anaerobe Glykolyse, der chem. Vorgang des Zuckerabbaus zur Milchsäure (Lactat = Salz der Milchsäure). Eine vermehrte Aufnahme von Sauerstoff nach der Belastung erfolgt zum wieder auffüllen der Kreatinphosphatspeicher (alaktazide Sauerstoffschuld) und dem oxidativen Abbau des gebildeten Lactats (lactazide Sauerstoffschuld). Die Milchsäure, ist also das Endprodukt des anaeroben Stoffwechsels. Diese Substanz entsteht bei intensiven Belastungen oberhalb der Dauerleistungsgrenze, wenn die Muskulatur über Lunge und Kreislauf nicht mehr genügend Sauerstoff zur Deckung ihres Energiebedarfs erhält. Durch die Bestimmung der Lactatkonzentration kann man Schlüsse über die Belastungsintensität und die aktuelle Leistungsfähigkeit des Probanden ziehen. Bei Leistungstests wird die Lactatkonzentration z. B. während des Laufens bei ansteigender Geschwindigkeit bestimmt. Anhand dieses Tests kann man die optimale Laufgeschwindigkeit für verschiedene Trainingsbereiche herausfinden. In der Notfallmedizin wird die Lactatbestimmung als Indikator der sog. Lactat-Azidose eingesetzt, da sich während körperlicher Anstrengungen Lactat im Blut anreichert. Der Blutlactat-Wert dient zur Beurteilung des physischen Zustandes des Patienten.Mobile lactate performance tests (running field tests) are usually carried out on suitable plastic sheets. After warming up at low tempo (walking for beginners), the load levels are typically chosen to increase the load by 7-10 beats to full load every 800 - 1200 m (depending on performance) (in total 4 - 6 levels). The pulse must be constantly monitored. To determine the lactate value, blood samples are taken from the earlobe at the end of the respective stress level. The stationary evaluation in the laboratory is done today with the help of a special computer program, which allows the determination of the individual lactate threshold. The previously customary 4 mmol threshold represents a very great simplification, since individual anaerobic thresholds are usually in the range of 3-5 mmol. The indication of a fixed 4 mmol threshold often means for volunteers an over- or underload. Therefore today the training hints are basically based on the individually determined anaerobic (aerobic = oxygen dependent) threshold. In aerobic endurance, sufficient oxygen is available for oxidative combustion of glycogen (animal starch) and fatty acids. Anaerobic endurance is present when the supply of oxygen for oxidative combustion is inadequate and the metabolic processes that take place without the participation of oxygen (anaerobic = anoxidative) play an essential role. Anaerobic glycolysis, the chem. Process of sugar degradation to lactic acid (lactate = salt of lactic acid). An increased uptake of oxygen after the stress takes place to refill the Kreatinphosphatspeicher (alaktazide oxygen debt) and the oxidative degradation of the lactate formed (lactazide oxygen fault). Lactic acid is the end product of anaerobic metabolism. This substance is created during intensive exercise above the endurance limit, when the muscles of the lungs and circulation no longer receive enough oxygen to meet their energy needs. By determining the lactate concentration, one can draw conclusions about the exercise intensity and the current performance of the subject. In performance tests, the lactate concentration z. B. during running at increasing speed. This test will help you to find the optimal running speed for different training areas. In emergency medicine, the determination of lactate is used as an indicator of so-called lactate acidosis, since during physical exertion lactate accumulates in the blood. The blood lactate value is used to assess the physical condition of the patient.
Von der Firma Polar ist ein Lactat-Messsystem mit dem Namen Lactate Pro bekannt. Es basiert auf dem amperometrischen Messprinzip und benötig zur sicheren Messung nur 5 μl Blut aus dem Ohrläppchen oder der Fingerkuppe. Beim Aufbringen des Bluttropfens in den Analysestreifen trifft das Blut auf die Reaktionsunterlage und das Lactat der Probe reagiert spezifisch mit der auf dem Streifen vorhandenen Lactat-Oxidase. Proportional zur Lactatkonzentration wird gleichzeitig das Kaliumeisencyanid reduziert. Die nachfolgende Oxidation des angereicherten Kaliumeisencyanids setzt Elektronen frei, dieses elektrische Signal wird mit der entsprechenden Lactatkonzentration gleichgesetzt. Als Hilfsmittel zur Durchführung der Lactatkonzentrationsmessung benötigt man Teststreifen, eine Lanzette und Alkoholtupfer.From Polar is a lactate measuring system called Lactate Pro known. It is based on the amperometric measuring principle and need to safe measurement only 5 μl Blood from the earlobe or the fingertip. When applying the blood drop into the analysis strip the blood hits the reaction pad and the lactate of the sample reacts specifically with the lactate oxidase present on the strip. At the same time the potassium iron cyanide becomes proportional to the lactate concentration reduced. Subsequent oxidation of the enriched potassium ferricyanide releases electrons, this electrical signal is combined with the corresponding one Equated lactate concentration. As an aid to the implementation of Lactate concentration measurement needed you have test strips, a lancet and alcohol swabs.
Auf Wunsch einiger Intensivmediziner, Kardiologen und Sportmediziner wurde vor kurzem eine gute Marktübersicht zu Messgeräten mit der Möglichkeit der Lactatbestimmung erstellt: Die Fa. Arkray North America bietet ein electrochemical biosensor (Lactate Oxidase) an; die Fa. EKF Industrie-Elektronik GmbH bietet Geräte an die nach dem enzymatic/amperometric-Prinzip arbeiten; die Fa. Eppendorf bietet Geräte an die auf der Basis enzymatic-amperometric (capillary blood method) arbeiten; die Fa. Analox bietet Geräte an die auf der Basis der Photometric (490 nm) und der Clark-type amperometric oxygen electrode arbeiten; die Fa. CMA/Microdialysis bietet Geräte an die auf der Basis needs sterile microdialysis catheter for adults in resting skeletal muscle/adipose tissue/brain, arbeiten; die Fa. YSI bietet Geräte an die auf der Basis von Membrane mit molekularselektive Sensoren arbeiten; die Fa. Roche bietet Geräte an die auf der Basis enzymatic determination and reflectance photometry (wavelength 660 nm) arbeiten; von der Firma Boehringer ist ein Handgerät in Gebrauch das in Deutschland zur Zeit außer Vertrieb ist, jedoch können die notwendigen Teststreifen noch einige Jahre bezogen werden.On Desire of some intensive care physicians, cardiologists and sports physicians has recently been a good market overview to measuring instruments with the possibility of the lactate determination: The company Arkray North America offers an electrochemical biosensor (lactate oxidase) on; the company EKF Industrie-Elektronik GmbH offers devices according to the enzymatic / amperometric principle work; the Eppendorf company offers devices based on enzymatic-amperometric (capillary blood method) work; the company Analox offers devices to the based on the photometric (490 nm) and the Clark-type amperometric oxygen electrode work; the company CMA / Microdialysis offers devices to the on the basis needs sterile microdialysis catheter for adults in resting skeletal muscle / adipose tissue / brain, work; the Fa. YSI offers devices on the basis of membrane with molecularly selective sensors work; Roche offers equipment based on enzymatic determination and reflectance photometry (wavelength 660 nm); from the company Boehringer is a handheld device in use in Germany currently out of distribution is, however, can the necessary test strips will be available for a few more years.
Der Lactatwert wird, also nach dem Stand der Technik immer invasiv über eine Blutentnahme am Ende jeder gemessenen Belastungsstufe bestimmt. Daraus folgt, dass alle Offenlegungsschriften und Patenschriften invasive „blutige" Methoden in ihren Patentansprüchen beinhalten. Es ist aber für Leistungstest im Freien auf jeden Fall eine nichtinvasive unblutige sehr einfache physikalische Lactatwertbestimmung möglichst auf der Basis einer elektrophysikalischen Sensorik und einer elektronischen Signalverarbeitung und- auswertung wünschenswert.Of the Lactate is, so always invasive in the prior art over a Blood collection determined at the end of each measured exercise level. It follows that all disclosures and patents invasive "bloody" methods in theirs claims include. But it is for performance test outdoor definitely a noninvasive bloodless very simple physical Lactatwertbestimmung as possible based on a electro-physical sensors and electronic signal processing and evaluation desirable.
Diese Forderungen werden mit dem nachfolgend beschriebenen Erfindungsgegenstand gelöst. Es handelt es sich hierbei um eine sehr kostengünstige, sehr leichte, kalibrierbare, mobile elektronische softwaregestützte Messvorrichtung mit einem Mikrocontroller, wobei in dessen ROM spezielle neue Algorithmen zur Lactat-Leistungsbestimmung auf Basis einer Herzfrequenzmessung oder einer Pulsfrequenzmessung und der biomechanischen Leistungsmessung gespeichert sind.These Claims are made with the subject invention described below solved. It this is a very inexpensive, very light, calibratable, mobile electronic software-based measuring device with a Microcontroller, wherein in its ROM special new algorithms for lactate performance determination based on heart rate measurement or a pulse rate measurement and biomechanical power measurement are stored.
Technischer Aufbau und physikalische Wirkungsweise des ErfindungsgegenstandesTechnical construction and physical effect of the subject invention
Mit
verschiedenen Probanden (Alter, Geschlecht, physische Kondition)
werden computergestützte
Labormessungen wie bei einer Leistungsdiagnostik mit Hilfe eines
Ergometer-Fahrrades oder Ergometer-Laufbandes durchgeführt. Dabei
wird für eine
fest vorgegebene Anzahl von diskreten mechanischen Belastungsstufen
(in Watt) für
jede dieser einzelnen Belastungsstufen in einem fest zugeordneten
geeignet definierten Zeitintervall die sog. RR-Werte gemessen, digital
komprimiert, anschließend
softwaremäßig invertiert
(1/RR) und dann in Abhängigkeit
von den mechanischen Belastungsstufen graphisch in einem sog. virtueller
Scatter-Plot dargestellt (
Vergleichende
Messungen haben gezeigt, dass eine sehr gute Korrelation zwischen
den klassischen EKG-Signalen und den arteriellen Pulswellendrucksignalen
existiert. Es ist aus den Messungen (
Außerdem können die Messdaten der Herzfrequenz oder der arteriellen Pulswellenfrequenz einer Fourier-Analyse (FFT) unterzogen werden, wobei mit Hilfe eines weiteren speziellen Algorithmus das Spektrum der Herzfrequenz oder der Pulswellen berechnet wird und die höchste im jeweiligen Spektrum vorkommende Frequenz fhigh bzw. die niedrigste im berechneten Spektrum vorkommende Frequenz flow ermittelt werden um damit den (von uns so benannten) „cardiophysiologischen Frequenzquotienten" fhigh/flow zu bilden. Mit dem so messtechnisch und spektralanalytisch gewonnenen cardiophysiologischen Frequenzquotienten kann dann durch Vergleich mit einem, durch viele Vergleichsmessungen an gesunden und erkrankten Menschen gewonnen „normierten cardiophysiologischen Frequenzquotienten" eine Aussage über die aktuelle physiologische Balance zwischen Sympathikus und Parasympathikus gewonnen werden, d.h. über die aktuelle körperliche Konstitution.In addition, the measurement data of the heart rate or the arterial pulse wave frequency of a Fourier analysis (FFT) are subjected, using a further special algorithm, the spectrum of the heart rate or the pulse waves is calculated and the highest occurring in the respective spectrum frequency f high and the lowest In the calculated spectrum occurring frequency f low can be determined in order to form the "cardiophysiological frequency quotient" f high / f low (thus named) healthy and diseased people gained "normalized cardiophysiological frequency quotient" to obtain a statement about the current physiological balance between the sympathetic and parasympathetic, ie about the current physical constitution.
Damit bei einer hohen Belastung eine gesundheitsgefährdende Überforderung vermieden werden kann, sollte der cardiographische Frequenzquotient und den Verlauf der Herzfrequenz kombiniert mit dem Anstieg der Lactatkonzentration lückenlos erfasst, ausgewertet, dokumentiert und zur Anzeige gebracht werden.In order to At a high load, a health-threatening excessive demand can be avoided should, should the cardiographic frequency quotient and the course the heart rate combined with the increase in lactate concentration gapless recorded, evaluated, documented and displayed.
Die Beschreibung der Diagnose – Verfahren und die Forderung nach einer kontinuierlichen und unblutigen elektronischen Lacktat-Leistungsbestimmung bestimmen die physikalische Struktur der mobilen elektronischen batteriebetriebenen kalibrierbaren Messvorrichtung.The Description of the diagnosis procedure and the demand for a continuous and bloodless electronic Lacktat performance determination determine the physical structure mobile electronic battery powered calibratable measuring device.
In
Das
Mess- und Kalibrierinterface
Die
interne elektronische Kalibrierung erfolgt intermittierend während des
normalen Messbetriebs, indem der Mikrocontroller (im Block
Der
digitale Block
Über das
Mikrotastenfeld
Die
elektronische Messvorrichtung
Weiter
sind ein alphanumerisches Mess-Datendisplay
Das
Uhr-Gehäuse
Wird für die RR-Signalgewinnung eine Pulsuhr verwendet, kann man den Erfindungsgegenstand, wie oben schon gesagt, vorteilhaft am Oberarm tragen. Da die Pulsuhren meist chronometrischen Einheiten besitzen, kann in diesem Fall bei dem Erfindungsgegenstand auf eine chronometrische Einrichtung verzichtet werden.Becomes for the RR signal acquisition uses a heart rate monitor, you can the subject invention, as already said above, beneficial to wear on the upper arm. Because the pulse watches In this case, in the case of. can usually have chronometric units Subject of the invention waived a chronometric device become.
Damit ist die gestellte Forderung nach technischer Einfachheit, d.h. einem sehr kleinen Aufwand von mechanischen und elektrischen Bauteilen sowie deren Verbindungselemente und damit sehr geringen Kosten und einer störungssicheren wartungsarme Funktion sowie eine sehr einfache Bedienbarkeit über den gesamten Betriebszeitraum möglichen.In order to is the demand for technical simplicity, i. one very little effort of mechanical and electrical components As well as their fasteners and thus very low cost and a fail-safe low-maintenance function and a very easy operation over the entire operating period possible.
Eine weiter Ausführungsform besteht darin, dass die diagnostischen Daten in digitaler Form, mit Hilfe eines FM/FM-Systems oder eines PCM/PCM-Systems drahtlos vom und zum Uhr-Gehäuse übertragen werden. Für das FM/FM-System ist der HF-Oszillator mit Sendeantenne der HF-Empfänger mit Empfangsantenne in dem Uhr-Gehäuse integriert. Für das PCM/PCM-System ist der Encoder mit seiner Sendeantenne und der Decoder mit seiner Empfangsantenne im Uhr-Gehäuse integriert. Diese technische Ausführungsform ist komplexer und damit auch teurer, bietet aber dafür die Möglichkeit der Datenredundanz.A further embodiment is that the diagnostic data in digital form, wirelessly using an FM / FM system or a PCM / PCM system transferred from and to the watch case become. For the FM / FM system is the RF oscillator with transmit antenna of the RF receiver with Receiving antenna integrated in the watch case. For the PCM / PCM system is the encoder with its transmit antenna and the decoder with its receive antenna in the watch case integrated. This technical embodiment is more complex and thus also more expensive, but offers the possibility of data redundancy.
In
einer weiteren konstruktiven Ausführungsform des Erfindungsgegenstandes
befindet sich die hochfrequenztechnische Einheit in einem externen steckbaren
Modul der über
eine Steckerleiste
Die
Infrarotschnittstelle (IR-Schnittstelle)
Claims (8)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE200410052083 DE102004052083A1 (en) | 2004-10-26 | 2004-10-26 | Digital electronic diagnostic method and mobile device for non-invasive determination of lactate level, using two dimensional virtual scatter plot |
Applications Claiming Priority (1)
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|---|---|---|---|
| DE200410052083 DE102004052083A1 (en) | 2004-10-26 | 2004-10-26 | Digital electronic diagnostic method and mobile device for non-invasive determination of lactate level, using two dimensional virtual scatter plot |
Publications (1)
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Family
ID=36201655
Family Applications (1)
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|---|---|---|---|
| DE200410052083 Withdrawn DE102004052083A1 (en) | 2004-10-26 | 2004-10-26 | Digital electronic diagnostic method and mobile device for non-invasive determination of lactate level, using two dimensional virtual scatter plot |
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| Country | Link |
|---|---|
| DE (1) | DE102004052083A1 (en) |
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2004
- 2004-10-26 DE DE200410052083 patent/DE102004052083A1/en not_active Withdrawn
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