多物理場仿真優化無創醫療美容技術設計

CoolSculptin? 和 CoolTone? 是兩個獨立的無創醫療美容治療技術,分別被用于消除目標皮下脂肪和增強肌肉。美國 Allergan Aesthetics 公司正在通過傳熱和電磁仿真增強和優化其治療過程。


Rachel Keatley
2021 年 3 月

20 世紀 70 年代,人們觀察到嬰兒在吃了冰棍后臉頰上會出現酒窩。為什么會出現這種現象?當暴露在冷處理中時,嬰兒臉上的一些脂肪細胞會死亡,并會導致形成一個小凹痕(參考文獻 1)。幾十年后,這種被稱為“冰棒脂膜炎”的現象激發了一種無創減脂治療技術的誕生: CoolSculpting?。CoolSculpting? 由哈佛醫學院的Dieter Manstein博士和Rox Anderson博士發明,使用一種叫做冷凍溶脂的脂肪凍結方法,在不損傷周圍組織的情況下靶向并殺死脂肪細胞。

AbbVie 旗下 Allergan Aesthetics 公司的高級科學家 Joel Jimenez Lozano 博士協助開發了 CoolSculpting? 技術?!斑@個手術是用敷貼器將處理過的脂肪細胞冷卻到預定的溫度,脂肪細胞發生結晶,然后凋亡而死。死亡的脂肪細胞將通過身體的自然代謝逐漸被清除?!盝imenez Lozano 說道。由于手術后的恢復期極短或不需要,CoolSculpting? 近年來已經成為一種廣受歡迎的脂肪去除療法。該治療手術已經被美國食品藥品監督管理局(Food and Drug Administration,FDA)批準用于治療身體的各個部位,包括腹部、背部、側面、大腿和上臂,以及下巴和下頜骨。

最近,Allergan Aesthetics 開發了另一種脂肪去處治療手術:CoolTone?。這是一種非侵入式的身體整形手術,旨在通過磁肌肉刺激幫助增強并調理肌肉。目前,該治療方法已通過 FDA 批準,可用于治療腹部、大腿和臀肌。

為了優化用于 CoolSculpting? 手術的敷貼器,并加深對 CoolTone? 手術中涉及的磁現象的理解,Jimenez Lozano 和他的團隊正在借助仿真技術進行設計和分析。

用盤式和杯式敷貼器冷凍脂肪

早期的 CoolSculpting? 技術通過平行冷卻板技術將患者的組織和脂肪細胞在低溫下處理 60 分鐘,再通過敷貼器利用真空抽吸將組織固定在適當的位置。盡管冷卻板可以正常使用,客戶仍然希望獲得更好的療效和更短的處理時間。

Jimenez Lozano 說:”現在,我們設計了一種杯式敷貼器,在使用 CoolSculpting? 系統時可以有效地從治療區域排出熱量。冷卻杯敷貼器采用了熱電冷卻技術,由金屬制成,并擁有不同的尺寸。杯狀設計使臨床醫生可以冷卻所有膨脹凸起的脂肪,而不僅僅是平行板之間的脂肪?!?/p>

A CoolSculpting Elite System on wheels for portability with two applicators shown attached to the unit and displayed on blue pedestals. CoolSculpting portable control unit
An array of seven CoolSculpting applicators in varying cup sizes. Applicators
圖1 CoolSculpting? Elite System 由一個帶有用戶操作界面的便攜式控制單元組成(左),并且包含不同尺寸的敷貼器(右)。

除了為患者提供更舒適的治療手術外,杯式敷貼器還將治療時間從 60 分鐘減少至 35 分鐘。對于臨床醫生無法將組織抽吸到真空杯中的身體區域(例如大腿外側),可以使用三片式扁平敷貼器。在制造這些改進的敷貼器之前,Jimenez Lozano 和他的團隊使用傳熱仿真對他們的設計進行了分析。

傳熱仿真增強 CoolSculpting? 技術

設計改進的冷卻杯敷貼器,重要的是要了解患者組織在各種溫度下如何與這些杯子相互作用。然而,實際測量可能會使患者感到不舒服。仿真可以幫助避免這個問題。Jimenez Lozano 研究了在 CoolSculpting? 治療期間組織的溫度及其瞬態變化,旨在提高 CoolSculpting? 冷卻杯的性能,同時保持其安全性。使用 COMSOL Multiphysics® 多物理場仿真軟件及傳熱產品,他模擬了 CoolSculpting? 治療過程中冷卻杯和組織的相互作用。

A model showing a closeup view of skin tissue and a CoolSculpting applicator cup during treatment and temperature visualized in rainbow, where the skin is red and the inside of the cup is blue. Temperature in the applicator and skin
圖2 CoolSculpting? 治療時組織中的溫度分布仿真。

Jimenez Lozano使用臨床數據來驗證他的模型。Jimenez Lozano表示:“一旦模型通過驗證,就可以輕松地對相關設計進行預測?!巴ㄟ^組織模型模擬的溫度分布結果評估冷凍脂肪分解的組織損傷程度,與我們實際對人體組織進行測量所得到的結果一致”(參考文獻 2)。

借助仿真得到的結果,Allergan Aesthetics 優化了敷貼器設計,從而縮短了治療時間。在世界各地的醫療水療中心、皮膚病學診所和整形外科實踐中,均能發現這項優化技術的使用。

CoolTone? 技術

在 Allergan Aesthetics 中,仿真并不僅僅用于優化 CoolSculpting? 技術。Jimenez Lozano 和他的團隊還使用仿真優化了其最近開發的 CoolTone? 系統。

A CoolTone system on wheels for portability with two applicators hooked to the sides. CoolTone portable control unit
An applicator held up in a blue latex-gloved hand. Applicator
圖3 CoolTone? 系統由一個帶有觸摸屏的便攜式控制單元和兩個敷貼器(左)組成。CoolTone? 敷貼器的特寫圖(右)。

“治療過程與脂肪無關,而與肌肉有關。CoolTone? 產生電磁場,并與目標組織相互作用。它在肌肉上感應電流,從而產生肌肉收縮,最終增強肌肉,使之更加健壯、堅實?!?Jimenez Lozano 對無創 CoolTone? 治療進行了描述。

A model of an abdomen with a circular disc to represent the CoolTone applicator, magnetic field shown as arrows around the abdomen, and temperature shown in rainbow. EM simulation
An anatomically accurate CAD model showing someone's abdomen, torso, and upper arms, as well as a CoolTone applicator resting on the abdomen. CAD model
圖4 仿真視圖顯示了 CoolTone? 治療時腹肌中的峰值磁場(曲線)和感應電場(左)。一個包含 CoolTone? 敷貼器的解剖型 CAD 模型(右)。使用 CAD 導入模塊,可以在 COMSOL Multiphysics® 軟件中分析 CAD 模型。

為了更深入地理解電磁肌肉刺激背后的物理原理以及電流對組織的影響,研究團隊使用了電磁仿真。Jimenez Lozano 說:“要真正了解磁場在組織中是如何相互作用的,就必須對其進行建模?!?在對肌肉、腹部和皮膚進行建模時,研究團隊使用了逼真、精確的解剖學幾何結構??偠灾?,仿真可以增進對敷貼器部件,及其對目標肌肉群的電磁性能的理解。

人人可用的仿真 App

Jimenez Lozano 和他的團隊使用仿真 App,向 Allergan Aesthetics 公司內部的仿真專家和非專業人員展示了他們的傳熱和電磁仿真工作。該仿真 App 是使用 COMSOL Multiphysics® 軟件中的 App 開發器創建的?!笆褂梅抡鍭pp后,我們與在工作不使用 COMSOL® 軟件的人溝通更加容易了?!盝imenez Lozano 說道。

The user interface of a simulation app showing input fields for temperature in degrees Celsius and time in minutes and a rainbow plot of the temperature for the specified inputs. Simulation app
圖5 由 Jimenez Lozano 設計的仿真 App,用于研究 CoolSculpting? 治療時不同參數下的組織溫度。

例如,當向非專業人員展示 CoolSculpting? 敷貼器冷卻杯的仿真 App 時,Jimenez Lozano 方便、快速地展示了一些參數(例如治療時間或杯體溫度)的改變如何影響手術結果。Allergan 工程師還使用仿真 App 在會議上展示了他們的工作;在某些情況下,仿真 App 還可以為向監管機構提交的文件提供支持數據。

醫療美容行業的未來

未來,Allergan Aesthetics 計劃繼續開發新的產品,并加深對其設備功能、設備與組織的相互作用的理解。

2019 年,美國進行了超過 1630 萬次的微創和(或)無創美容手術——在過去的 20 年里,這一數字增長了兩倍多(參考文獻 3)。Jimenez Lozano 相信,無創手術將因其能夠以非侵入方式靶向并治療人體特定部位,以及恢復時間較短的優勢而繼續流行。

致謝

Joel Jimenez Lozano 對為本文所述技術的開發做出貢獻的工程、研究和技術支持人員表示感謝。此外,特別感謝 Allergan Aesthetics 高級研發團隊執行總監 George Frangineas、Linda Pham 博士、Peter Yee、Zeng 博士,以及高級研發團隊成員 Andrew Wong、Paul Allan 和 Tuan Mai。

參考文獻

  1. Epstein and M. Oren, "Popsicle Panniculitis", The New England Journal of Medicine, vol. 282, 17, pp. 966–7, 1970.
  2. Jimenez Lozano, J., Assessment of Subcutaneous fat injury, depth of injury and temperature threshold after cryolipolysis, Lasers in Surgery and Medicine, Vol. 51, S30, Abstracts 39th ASLMS Conference, February 2019.
  3. "Plastic Surgery Statistics Report", American Society of Plastic Surgeons?, 2019.

COOLSCULPTING? 和 COOLTONE? 是 Zeltiq Aesthetics, Inc. 的商標