DD255276A1 - PHOTOMETRIC INSTRUMENT FOR THE DIAGNOSIS OF THE BLOOD CONDITION OF THE SKIN - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung bezieht sich auf die medizinische nichtinvasive Diagnostik des peripheren Blutdruckes und Blutflusses, der Sauerstoffsaettigung des Blutes sowie der Pulsfrequenz. Die Anwendung ist vorzugsweise in Photoplethysmographen, Licht-Reflexions-Rheographen und Photooxymetern moeglich. Die Haut wird durch eine hoechstfrequent periodisch intensitaetsmodulierte Lichtquelle bestrahlt. Die Registrierung des rueckgestreuten Lichtes erfolgt mittels eines frequenzselektiven hoechstfrequent-phasenempfindlichen Photodetektors. Durch geeignete Einstellung der Detektorphasenlage kann der Signalbeitrag des von der blutleeren Epidermis rueckgestreuten Lichtes vollstaendig unterdrueckt werden. Fremdlicht liefert ebenfalls keinen Signalbeitrag. Eine Scanning-Einrichtung ermoeglicht die bildhafte Darstellung des Durchblutungszustandes eines groesseren Hautbereiches. Fig. 1The invention relates to the medical non-invasive diagnosis of peripheral blood pressure and blood flow, the oxygen saturation of the blood and the pulse rate. The application is preferably in photoplethysmographs, light reflection rheographs and photooximeters possible. The skin is irradiated by a highest frequency periodically intensity modulated light source. The registration of the backscattered light is effected by means of a frequency-selective, high-frequency-phase-sensitive photodetector. By suitable adjustment of the detector phase position, the signal contribution of the light backscattered by the bloodless epidermis can be completely suppressed. Extraneous light also provides no signal contribution. A scanning device allows the pictorial representation of the perfusion condition of a larger area of the skin. Fig. 1
Description
Hierzu 2 Seiten ZeichnungenFor this 2 pages drawings
Die Erfindung bezieht sich auf die medizinische nichtinvasive Diagnostik des peripheren Blutdrucks und Blutflusses, der Sauerstoffsättigung des Blutes sowie der Pulsfrequenz. Die Anwendung ist vorzugsweise in Photolethysmographen, Licht-Reflexions-Rheographen und Photooxymetern möglich und zweckmäßig.The invention relates to the medical noninvasive diagnosis of peripheral blood pressure and blood flow, the oxygen saturation of the blood and the pulse rate. The application is preferably in photolethysmographs, light reflection rheographs and photooximeters possible and appropriate.
Optische Verfahren gewinnen zunehmend an Bedeutung für die nichtinvasive Diagnostik des Durchblutungszustandes der Haut.Optical methods are becoming increasingly important for the noninvasive diagnosis of the circulatory state of the skin.
Überwiegend kommt das Reflexionsprinzip zur Anwendung, bei dem die Strahlung einer Lichtquelle in die Haut eindringt, und aus dem mittels eines Photodetektors registrierten reflektierten bzw. zurückgestreuten Anteil auf den Durchblutungszustand geschlossen wird. Als problematisch erweisen sich Fremdlicht, das zu Signalpegeländerungen führt, sowie die starke Rückstreuung des eingestrahlten Meßlichtes an der blutleeren Epidermis.Predominantly, the reflection principle is used, in which the radiation of a light source penetrates into the skin, and from the registered by means of a photodetector reflected or backscattered portion is closed to the perfusion condition. External light, which leads to signal level changes, and the strong backscattering of the irradiated measuring light on the bloodless epidermis prove to be problematic.
Zur Ausschaltung von Fehlmessungen durch Fremdlichteinwirkung sind unterschiedliche Lösungen bekannt. So wird beispielsweise beim Überschreiten eines bestimmten Fremdlichtpegels ein Alarm ausgelöst (US-PS 4.294.263, A61 B, 5/02). Der Nachteil besteht hierbei in der Unsicherheit bezüglich der Alarmpegelfestlegung.To eliminate incorrect measurements by external light exposure different solutions are known. Thus, for example, an alarm is triggered when a certain ambient light level is exceeded (US Pat. No. 4,294,263, A61 B, 5/02). The disadvantage here is the uncertainty regarding the alarm level setting.
Bei einer anderen Lösung zur optischen Pulsfrequenzmessung wird der wirksame Arbeitswiderstand des Photoempfängers mittels positiver Rückkopplung frequenzselektiv im Bereich 0,5...3Hz vergrößert (DD-PS 217.422, A61 B, 5/02). Nachteilig ist hierbei, daß Störlicht dieses Frequenzbereiches nicht diskriminiert wird, und daß das Prinzip auf Blutdruck- sowie Blutflußmessungen nicht anwendbar ist.In another solution for optical pulse rate measurement of the effective working resistance of the photoreceptor by means of positive feedback frequency selective in the range 0.5 ... 3Hz is increased (DD-PS 217.422, A61 B, 5/02). The disadvantage here is that stray light this frequency range is not discriminated, and that the principle on blood pressure and Blutflußmessungen is not applicable.
Effektiverwirken andere Lösungen, in denen die Lichtquelle mit Frequenzen im Bereich von 100 Hz... 10 kHz intensitätsmoduliert ist, und eine frequenzselektive Photostrommessung erfolgt (DE-OS 2.206.422, A61 B, 5/02). Erfahrungsgemäß besteht jedoch bei derartigen Anordnungen die Gefahr von Interferenzen mit stets im Labor vorhandenen niederfrequenten elektromagnetischen Störfeldern.Effectively other solutions in which the light source with frequencies in the range of 100 Hz ... 10 kHz is intensity-modulated, and a frequency-selective photocurrent measurement is carried out (DE-OS 2,206,422, A61 B, 5/02). Experience has shown, however, in such arrangements, the risk of interference with always present in the laboratory low-frequency electromagnetic interference fields.
Zur Reduzierung des unerwünschten Signals, das infolge starker Rückstreuung des eingestrahlten Meßlichtes an der blutleeren Epidermis entsteht, benutzt man Anordnungen mit großem Lateralabstand zwischen Lichtquelle und Photodetektor (DE-PS 3.100.610, A61 B, 5/02; DE-PS 3.318.746, A61 B, 5/02; DD-PS 208.297, A61 B, 5/02). Bei diesen Lösungen ist jedoch der zum Photodetektor gelangende erwünschte Meßlichtanteil sehr gering, wodurch die Empfindlichkeit sinkt. Darüber hinaus verschenkt man die Möglichkeit einer räumlichen Auflösung.To reduce the unwanted signal, which arises as a result of strong backscattering of the irradiated measuring light on the bloodless epidermis, arrangements are used with a large lateral distance between the light source and the photodetector (DE-PS 3,100,610, A61 B, 5/02, DE-PS 3,318,746 , A61 B, 5/02; DD-PS 208,297, A61 B, 5/02). In these solutions, however, the desired Meßlichtanteil reaching the photodetector is very low, whereby the sensitivity decreases. In addition, you give away the possibility of a spatial resolution.
Ziel der Erfindung ist es, den Durchblutungszustand der Haut optisch, räumlich aufgelöst und mit hoher Empfindlichkeit störungsfrei registrieren zu können.The aim of the invention is to be able to register the circulation state of the skin visually, spatially resolved and trouble-free with high sensitivity.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein photometrisches Instrument für die Diagnose des Durchblutungszustandes der Haut anzugeben, in dem Fremdlicht keinen Signalbeitrag liefert, und bei extrem geringem effektivem Lateralabstand zwischen Lichtquelle und Photodetektor der Signalbeitrag des von der blutleeren Epidermis zurückgestreuten Meßlichtes vollständigThe invention has for its object to provide a photometric instrument for the diagnosis of the circulatory state of the skin, in the extraneous light provides no signal contribution, and at extremely low effective lateral distance between the light source and photodetector of the signal contribution of the bloodless epidermis backscattered measuring light completely
unterdrückt wird. ·is suppressed. ·
Die Aufgabe'wird gelöst durch ein photometrisches Instrument mit einer intensitätsmodulierten Lichtquelle, das erfindungsgemäß in nachstehend beschriebener Weise ausgebildet ist. Die Intensitätsmodulation der Lichtquelle erfolgt höchstf requent periodisch. Zwischen der Lichtquelle und der zu vermessenden Hautstelle ist ein optisches Übertragungssystem angeordnet, das nahe der Lichtquelle einen optischen Eingang, nahe der Hautstelle einen optischen Ein-und Ausgang sowie an beliebiger anderer Stelle einen optischen Ausgang besitzt. An diesen Ausgang ist ein frequenzselektiver höchstfrequentphasenempfindlicher Photodetektor angekoppelt, dessen elektrischer Referenzeingang mit einem elektrischen Referenzausgang der Lichtquelle verbunden ist. An den Ausgang des phasenempfindlichen Photodetektors ist ein Auswerte- und Anzeigemodul angeschlossen.The object is achieved by a photometric instrument with an intensity-modulated light source, which according to the invention is designed in the manner described below. The intensity modulation of the light source is carried out mostfrequently periodically. Between the light source and the skin site to be measured, an optical transmission system is arranged, which has an optical input near the light source, an optical input and output near the skin location, and an optical output at any other location. At this output, a frequency-selective high frequency phase sensitive photodetector is coupled, whose electrical reference input is connected to an electrical reference output of the light source. An evaluation and display module is connected to the output of the phase-sensitive photodetector.
Eine Variante der Erfindung besteht darin, daß als optisches Übertragungssystem eine Lichtleitfaser mit Y-Verzweigung vorhanden ist.A variant of the invention is that there is an optical fiber with Y-branch as the optical transmission system.
In einer weiteren Variante bestehtdas optische Übertragungssystem aus einer Eingangslinse, einer Ein- und Ausgangslinse sowie einem zwischen den beiden Linsen angeordneten Strahlteiler zur Ablenkung eines Anteils der Strahlung auf eine Ausgangslinse.In a further variant, the optical transmission system consists of an input lens, an input and output lens and a beam splitter arranged between the two lenses for deflecting a portion of the radiation onto an output lens.
Als intensitätsmodulierte Lichtquellen kommen insbesondere Halbleiterlaser sowie modensynchronisierte cw-Laser in Frage.Particularly suitable as intensity-modulated light sources are semiconductor lasers and mode-synchronized cw lasers.
Als elektrischer Referenzausgang der Lichtquelle kann zweckmäßigerweise ein separater Ausgang des internen elektrischen Treibermoduls dienen. Es ist jedoch auch möglich, für diesen Zweck den Signalsausgang einer Monitorphotodiode zu benutzen.As a reference electrical output of the light source may suitably serve a separate output of the internal electric driver module. However, it is also possible to use the signal output of a monitor photodiode for this purpose.
In einer letzten Variante der Erfindung enthält das optische Übertragungssystem eine Scanning-Einrichtung zum zeilenweisen Abtasten eines größeren Hautbereiches, wobei die Scanning-Einrichtung elektrisch mit dem Auswerte- und Anzeigemodul verbunden ist.In a last variant of the invention, the optical transmission system includes a scanning device for scanning a larger area of skin by line, wherein the scanning device is electrically connected to the evaluation and display module.
Im Betrieb selektiert der frequenzselektivehöchstfrequent-phasenempfindliche Photodetektor eine wählbare FOURIER-Komponente aus dem Frequenzspektrum der periodischen Intensitätsmodulation der Lichtquelle. Das Ausgangssignal Ua des Photodetektors ergibt sich daher zuIn operation, the frequency selective high frequency phase sensitive photodetector selects a selectable FOURIER component from the frequency spectrum of the periodic intensity modulation of the light source. The output signal U a of the photodetector therefore results in
Ua = K lex Sdh cos(0s - 0d). (1)U a = K l ex S ie cos (0 s - 0 d ). (1)
In (1) bedeuten K eine Apparatekonstante, lex die zeitlich gemittelte Anregungsintensität der Lichtquelle, Sdhdie vom Durchblutungszustand und von der Hauttiefe abhängige Rückstreueffektivität, 0S die von der Eindringtiefe in die Haut abhängige Phasenlage des rückgestreuten Lichtes und 0d die einstellbare Phasenlage des phasenempfindlichen Photodetektors. Durch Einstellen der Detektorphase 0d entsprechend der BedingungIn (1) K denotes an apparatus constant, l ex the time-average excitation intensity of the light source, S ie the backscattering effect dependent on the perfusion condition and the skin depth, 0 S the phase position of the backscattered light dependent on the penetration depth into the skin and 0 d the settable phase position of the phase-sensitive photodetector. By setting the detector phase 0d according to the condition
0d = eso + w/2 (2)0 d = e so + w / 2 (2)
kann man nun den Signalbeitrag des von der Hautoberfläche mit der Phasenlage 0SO zurückgestreuten Lichtes vollständig unterdrücken. Licht, das aus einer Hauttiefe χ zurückgestreut wird, weist eine von (2) abweichende Phase auf und trägt zum Signal (1) beiNow you can completely suppress the signal contribution of the backscattered from the skin surface with the phase position 0 SO light. Light which is scattered back from a skin depth χ has a phase deviating from (2) and contributes to the signal (1)
Für die von der Hauttiefe χ abhängige Phasendifferenz For the phase difference dependent on the skin depth χ
ΔΘ(χ) = Θ(χ) erhält man den Ausdruck ΔΘ(χ) =ΔΘ (χ) = Θ (χ) gives the expression ΔΘ (χ) =
(3) (4)(3) (4)
in dem f die selektierte FOURIER-Komponente, η den optischen Brechungsindex der Haut und c die Lichtgeschwindigkeit imin which f is the selected FOURIER component, η is the optical refractive index of the skin, and c is the speed of light in the skin
Vakuum bedeuten.Mean vacuum.
Unter der Bedingung (2) ergibt sich für das Ausgangssignal (1) des PhotodetektorsUnder condition (2) results for the output signal (1) of the photodetector
= KlexSdhsin(4j7fnx/c).= Kl ex S ie sin (4j7fnx / c).
(5)(5)
Die vollständige Unterdrückung des von der Hautoberfläche bewirkten Signales wird entsprechend (5) erkauft mit einer verminderten Empfindlichkeit für Hauttiefen χ > 0. Bezogen auf die maximale Empfindlichkeit ohne Unterdrückung (100%) ergeben sich für FOURIER-Komponenten zwischen 500MHz und 2000MHzfolgende Empfindlichkeiten:The complete suppression of the signal from the surface of the skin is paid according to (5) with a reduced sensitivity for skin depths χ> 0. With respect to the maximum sensitivity without suppression (100%) the following sensitivities occur for FOURIER components between 500MHz and 2000MHz:
Empfindlichkeit in % der MaximalempfindlichkeitSensitivity in% of maximum sensitivity
Bisher war angenommen worden, daß die Bedingung (2) für die Hautoberfläche erfüllt wird. Noch vorteilhafter ist es, die Schichttiefe vollständiger Signalunterdrückung von χ = 0 (Hautoberfläche) zu einem Wert xopt > 0 innerhalb der blutleeren Epidermis zu verschieben. Entsprechend (5) liefern dann die Schichten mitx0Dt > χ > 0 einen negativen Beitrag, und die Epidermis-Schichtenmitx > xopteinen positiven Beitrag zum Signal. Durch geeignete Wahl von xopt kann auf diese Weise eine Kompensation aller Epidermis-Beiträge erreicht werden.Heretofore, it has been assumed that condition (2) for the skin surface is satisfied. It is even more advantageous to shift the layer depth of complete signal suppression from χ = 0 (skin surface) to a value x opt > 0 within the bloodless epidermis. According to (5), the layers with x 0Dt >χ> 0 then give a negative contribution, and the epidermis layers with x> x opt make a positive contribution to the signal. By a suitable choice of x opt , a compensation of all epidermis contributions can be achieved in this way.
Der frequenzselektive höchstfrequent-phasenempfindliche Photodetektor bewertet nur Lichtstrahlung, die mit der gewählten FOURIER-Frequenz moduliert ist. Alle anderen Frequenzen liefern ein Null-Signal. Dies gilt insbesondere auch für Tageslicht oder moduliertes Lampenlicht. ' . *The frequency-selective high-frequency phase-sensitive photodetector only evaluates light radiation modulated at the chosen FOURIER frequency. All other frequencies provide a zero signal. This is especially true for daylight or modulated lamplight. '. *
Wird ein optisches Übertragungssystem mit Scanning-Einrichtung benutzt, so gestattet der extrem geringe effektive Lateralabstand zwischen Lichtquelle und Photodetektor die bildhafte Darstellung des Durchblutungszustandes eines größeren Hautbereiches auf einem Monitor des Auswerte-und Anzeigemoduls.If an optical transmission system with a scanning device is used, the extremely small effective lateral distance between the light source and the photodetector allows the pictorial representation of the perfusion state of a larger area of skin on a monitor of the evaluation and display module.
Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden. In den zugehörigen Zeichnungen zeigenThe invention will be explained in more detail below using an exemplary embodiment. In the accompanying drawings show
Fig. 1: das Schema eines photometrischen Instrumentes nach der Erfindung, Fig. 2: einen frequenzselektiven höchstfrequent-phasenempfindlichen Photodetektor.Fig. 1: the diagram of a photometric instrument according to the invention, Fig. 2: a frequency-selective high-frequency phase-sensitive photodetector.
Das photometrische Instrument enthält als wesentlichen Bestandteil eine höchstfrequent periodisch intensitätsmodulierte Lichtquelle ML. Hierfür eignen sich insbeondere Halbleiterlaser, wie sie auf dem Gebiet der optischen Nachrichtenübertragung mittels Lichtleitfasern Verwendung finden. Die Intensitätsmodulation kann sinusförmig, gepulst oder in einer anderen — periodischen — Weise erfolgen.The photometric instrument contains an essential component of a highest frequency periodically intensity modulated light source ML. In particular semiconductor lasers are suitable for this purpose, as are used in the field of optical transmission of information by means of optical fibers. The intensity modulation may be sinusoidal, pulsed or otherwise periodic.
Zwischen der Lichtquelle ML und der zu vermessenden Hautstelle H ist ein optisches Übertragungssystem OS angeordnet, das nahe der Lichtquelle ML einen optischen Eingang E, nahe der Hautstelle H einen optischen Ein- und Ausgang EA sowie an beliebiger anderer Stelle einen optisc hen Ausgang A besitzt. Als optisches Übertragungssystem eignen sich beispielsweise eine Lichtleitfaser mit Y-Verzweigung Y, oder mehrere gebündelte Fasern, von denen ein Teil das Licht zur Haut hin und ein anderer Teil von der Haut weg transportiert. Es sind aber auch andere, z. B. linsengebundene Übertragungssysteme möglich. An den Ausgang A des optischen Übertragungssystems OS ist ein frequenzselektiver höchstfrequent-phasenempfindlicher Photodetektor PD angekoppelt, dessen elektrischer Referenzeingang R mit einem elektrischen Referenzausgang der Lichtquelle ML verbunden ist. Als Referenzäusgang kann beispielsweise ein separater Ausgang des internen elektrischen Treibermoduls dienen, oder man benutzt den Signalausgang einer Monitorphotodiode.Between the light source ML and the skin to be measured point H, an optical transmission system OS is arranged near the light source ML has an optical input E, near the skin H an optical input and output EA and at any other point has an optic hen output A. As an optical transmission system, for example, an optical fiber with Y-branch Y, or more bundled fibers, of which one part transports the light to the skin and another part of the skin away. But there are others, z. B. lens-based transmission systems possible. To the output A of the optical transmission system OS, a frequency-selective high-frequency phase-sensitive photodetector PD is coupled, whose electrical reference input R is connected to an electrical reference output of the light source ML. For example, a separate output of the internal electrical driver module can serve as a reference input, or the signal output of a monitor photodiode is used.
Fig. 2 zeigt eine zweckmäßige Ausführung für den frequenzselektiven höchstfrequent-phasenempfindlichen Photodetektor PD. Als Photoempfänger dient eine Avalanche-Photodiode APD mit großem Verstärkungs- Bandbreite-Produkt, wie sie für die Zwecke der optischen Nachrichtenübertragun mittels Lichtleitfasern verwendet werden. Das von der Haut H zurückgestreute Licht wird über das optische Übertragungssystem OS in Gestalt einer Fase eingekoppelt. Avalanche-Photodioden mit integrierter Faser werden bereitsauf dem Markt angeboten. Zum Betrieb der Photodiode APD ist an diese eine Gleichspannungsquelle DC angeschlossen. Gemessen wird der zeitlich gemittelte Photostrom, wozu der an die Avalanche-Photodiode APD angeschlossene relativ niederfrequente Lock-in-Verstärker Ll dient.Fig. 2 shows an expedient embodiment for the frequency-selective high-frequency phase-sensitive photodetector PD. The photoreceiver used is an avalanche photodiode APD with a large gain bandwidth product as used for the purposes of optical communication via optical fibers. The backscattered light from the skin H is coupled via the optical transmission system OS in the form of a chamfer. Integrated fiber avalanche photodiodes are already available on the market. To operate the photodiode APD, a DC voltage source DC is connected to this. Measured is the time-averaged photocurrent, to which the connected to the avalanche photodiode APD relatively low-frequency lock-in amplifier Ll serves.
Das höchstfrequente Referenzsignal der Lichtquelle ML gelangt über den Referenzeingang R, einen frequenzselektiven Verstärker V, einen Phasenschieber PS sowie einen elektronischen Schalter ES ebenfalls an die Avalanche-Photodiode APD, wobei der Synchronisierungsausgang des Schalters ES zum Synchronisierungseingang des Lock-in-Verstärkers Ll geführt ist. Mittels des Phasenschiebers PS kann die Detektorphase 0d eingestellt werden.The highest-frequency reference signal of the light source ML passes through the reference input R, a frequency-selective amplifier V, a phase shifter PS and an electronic switch ES also to the avalanche photodiode APD, the synchronization output of the switch ES is led to the synchronization input of the lock-in amplifier Ll , By means of the phase shifter PS, the detector phase 0 d can be set.
Der Signalausgang U des Lock-in-Verstärkers Ll, der mit dem Signalausgang U des phasenempfindlichen Photodetektors PD identisch ist, kann hinsichtlich seiner Integrationszeitkonstante in weiten Grenzen variiert werden. Auf diese Weise ist es möglich, in dem an den Ausgang U angeschlossenen Auswerte- und Anzeigemodul AA wahlweise das Pulsvolumen, die Pulsfrequenz, den peripheren Blutdruck und Blutfluß bzw. die Sauerstoffsättigung zu registrieren.The signal output U of the lock-in amplifier L1, which is identical to the signal output U of the phase-sensitive photodetector PD, can be varied in terms of its integration time constant within wide limits. In this way, it is possible to register in the evaluation and display module AA connected to the output U optionally the pulse volume, the pulse rate, the peripheral blood pressure and blood flow or the oxygen saturation.
Dank des großen Quantenwirkungsgrades und der inneren Verstärkung von Avalanche-Photodioden ist eine sehr gute Nachweisempfindlichkeit gewährleistet. Die Lichtquelle kann daher mit relativ niedriger Leistung betrieben werden, so daß Schädigungen der Haut mit Sicherheit ausgeschlossen sind. Durch den höchstfrequent-phasenempfindlichen Strahlungsnachweis bestehen keine störenden Fremdlichteinwirkungen infolge Trageslicht oder modulierten Lampenlichts. Die Bedingungen können selbstverständlich durch flankierende Maßnahmen wie Spektral- bzw. Raumfilterung noch weiter optimiert werden.Thanks to the large quantum efficiency and the internal amplification of avalanche photodiodes, a very good detection sensitivity is ensured. The light source can therefore be operated with relatively low power, so that damage to the skin are excluded with certainty. Due to the high-frequency-phase-sensitive radiation detection, there are no interfering extraneous light effects due to exposure light or modulated lamp light. The conditions can of course be further optimized by flanking measures such as spectral or spatial filtering.
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP0623306A1 (en) * | 1993-05-07 | 1994-11-09 | Diasense, Inc. | Method for non-invasive measurement of concentration of analytes in blood using continuous spectrum radiation |
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1986
- 1986-12-22 DD DD29821386A patent/DD255276A1/en not_active IP Right Cessation
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|---|---|---|---|---|
| EP0623306A1 (en) * | 1993-05-07 | 1994-11-09 | Diasense, Inc. | Method for non-invasive measurement of concentration of analytes in blood using continuous spectrum radiation |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| ENJ | Ceased due to non-payment of renewal fee |