多物理场仿真优化无创医疗美容技术设计

CoolSculptin® 和 CoolTone® 是两个独立的无创医疗美容治疗技术,分别被用于消除目标皮下脂肪和增强肌肉。美国 Allergan Aesthetics 公司正在通过传热和电磁仿真增强和优化其治疗过程。


Rachel Keatley
2021 年 3 月

20 世纪 70 年代,人们观察到婴儿在吃了冰棍后脸颊上会出现酒窝。为什么会出现这种现象?当暴露在冷处理中时,婴儿脸上的一些脂肪细胞会死亡,并会导致形成一个小凹痕(参考文献 1)。几十年后,这种被称为“冰棒脂膜炎”的现象激发了一种无创减脂治疗技术的诞生: CoolSculpting®。CoolSculpting® 由哈佛医学院的Dieter Manstein博士和Rox Anderson博士发明,使用一种叫做冷冻溶脂的脂肪冻结方法,在不损伤周围组织的情况下靶向并杀死脂肪细胞。

AbbVie 旗下 Allergan Aesthetics 公司的高级科学家 Joel Jimenez Lozano 博士协助开发了 CoolSculpting® 技术。“这个手术是用敷贴器将处理过的脂肪细胞冷却到预定的温度,脂肪细胞发生结晶,然后凋亡而死。死亡的脂肪细胞将通过身体的自然代谢逐渐被清除。”Jimenez Lozano 说道。由于手术后的恢复期极短或不需要,CoolSculpting® 近年来已经成为一种广受欢迎的脂肪去除疗法。该治疗手术已经被美国食品药品监督管理局(Food and Drug Administration,FDA)批准用于治疗身体的各个部位,包括腹部、背部、侧面、大腿和上臂,以及下巴和下颌骨。

最近,Allergan Aesthetics 开发了另一种脂肪去处治疗手术:CoolTone®。这是一种非侵入式的身体整形手术,旨在通过磁肌肉刺激帮助增强并调理肌肉。目前,该治疗方法已通过 FDA 批准,可用于治疗腹部、大腿和臀肌。

为了优化用于 CoolSculpting® 手术的敷贴器,并加深对 CoolTone® 手术中涉及的磁现象的理解,Jimenez Lozano 和他的团队正在借助仿真技术进行设计和分析。

用盘式和杯式敷贴器冷冻脂肪

早期的 CoolSculpting® 技术通过平行冷却板技术将患者的组织和脂肪细胞在低温下处理 60 分钟,再通过敷贴器利用真空抽吸将组织固定在适当的位置。尽管冷却板可以正常使用,客户仍然希望获得更好的疗效和更短的处理时间。

Jimenez Lozano 说:”现在,我们设计了一种杯式敷贴器,在使用 CoolSculpting® 系统时可以有效地从治疗区域排出热量。冷却杯敷贴器采用了热电冷却技术,由金属制成,并拥有不同的尺寸。杯状设计使临床医生可以冷却所有膨胀凸起的脂肪,而不仅仅是平行板之间的脂肪。“

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
图1 CoolSculpting® Elite System 由一个带有用户操作界面的便携式控制单元组成(左),并且包含不同尺寸的敷贴器(右)。

除了为患者提供更舒适的治疗手术外,杯式敷贴器还将治疗时间从 60 分钟减少至 35 分钟。对于临床医生无法将组织抽吸到真空杯中的身体区域(例如大腿外侧),可以使用三片式扁平敷贴器。在制造这些改进的敷贴器之前,Jimenez Lozano 和他的团队使用传热仿真对他们的设计进行了分析。

传热仿真增强 CoolSculpting® 技术

设计改进的冷却杯敷贴器,重要的是要了解患者组织在各种温度下如何与这些杯子相互作用。然而,实际测量可能会使患者感到不舒服。仿真可以帮助避免这个问题。Jimenez Lozano 研究了在 CoolSculpting® 治疗期间组织的温度及其瞬态变化,旨在提高 CoolSculpting® 冷却杯的性能,同时保持其安全性。使用 COMSOL Multiphysics® 多物理场仿真软件及传热产品,他模拟了 CoolSculpting® 治疗过程中冷却杯和组织的相互作用。

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
图2 CoolSculpting® 治疗时组织中的温度分布仿真。

Jimenez Lozano使用临床数据来验证他的模型。Jimenez Lozano表示:“一旦模型通过验证,就可以轻松地对相关设计进行预测。“通过组织模型模拟的温度分布结果评估冷冻脂肪分解的组织损伤程度,与我们实际对人体组织进行测量所得到的结果一致”(参考文献 2)。

借助仿真得到的结果,Allergan Aesthetics 优化了敷贴器设计,从而缩短了治疗时间。在世界各地的医疗水疗中心、皮肤病学诊所和整形外科实践中,均能发现这项优化技术的使用。

CoolTone® 技术

在 Allergan Aesthetics 中,仿真并不仅仅用于优化 CoolSculpting® 技术。Jimenez Lozano 和他的团队还使用仿真优化了其最近开发的 CoolTone® 系统。

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
图3 CoolTone® 系统由一个带有触摸屏的便携式控制单元和两个敷贴器(左)组成。CoolTone® 敷贴器的特写图(右)。

“治疗过程与脂肪无关,而与肌肉有关。CoolTone® 产生电磁场,并与目标组织相互作用。它在肌肉上感应电流,从而产生肌肉收缩,最终增强肌肉,使之更加健壮、坚实。” Jimenez Lozano 对无创 CoolTone® 治疗进行了描述。

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
图4 仿真视图显示了 CoolTone® 治疗时腹肌中的峰值磁场(曲线)和感应电场(左)。一个包含 CoolTone® 敷贴器的解剖型 CAD 模型(右)。使用 CAD 导入模块,可以在 COMSOL Multiphysics® 软件中分析 CAD 模型。

为了更深入地理解电磁肌肉刺激背后的物理原理以及电流对组织的影响,研究团队使用了电磁仿真。Jimenez Lozano 说:“要真正了解磁场在组织中是如何相互作用的,就必须对其进行建模。” 在对肌肉、腹部和皮肤进行建模时,研究团队使用了逼真、精确的解剖学几何结构。总而言之,仿真可以增进对敷贴器部件,及其对目标肌肉群的电磁性能的理解。

人人可用的仿真 App

Jimenez Lozano 和他的团队使用仿真 App,向 Allergan Aesthetics 公司内部的仿真专家和非专业人员展示了他们的传热和电磁仿真工作。该仿真 App 是使用 COMSOL Multiphysics® 软件中的 App 开发器创建的。“使用仿真App后,我们与在工作不使用 COMSOL® 软件的人沟通更加容易了。”Jimenez Lozano 说道。

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
图5 由 Jimenez Lozano 设计的仿真 App,用于研究 CoolSculpting® 治疗时不同参数下的组织温度。

例如,当向非专业人员展示 CoolSculpting® 敷贴器冷却杯的仿真 App 时,Jimenez Lozano 方便、快速地展示了一些参数(例如治疗时间或杯体温度)的改变如何影响手术结果。Allergan 工程师还使用仿真 App 在会议上展示了他们的工作;在某些情况下,仿真 App 还可以为向监管机构提交的文件提供支持数据。

医疗美容行业的未来

未来,Allergan Aesthetics 计划继续开发新的产品,并加深对其设备功能、设备与组织的相互作用的理解。

2019 年,美国进行了超过 1630 万次的微创和(或)无创美容手术——在过去的 20 年里,这一数字增长了两倍多(参考文献 3)。Jimenez Lozano 相信,无创手术将因其能够以非侵入方式靶向并治疗人体特定部位,以及恢复时间较短的优势而继续流行。

致谢

Joel Jimenez Lozano 对为本文所述技术的开发做出贡献的工程、研究和技术支持人员表示感谢。此外,特别感谢 Allergan Aesthetics 高级研发团队执行总监 George Frangineas、Linda Pham 博士、Peter Yee、Zeng 博士,以及高级研发团队成员 Andrew Wong、Paul Allan 和 Tuan Mai。

参考文献

  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. 的商标