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基于多物理模拟的无创整形手术设计

CoolSculpting®和CoolTone®是独立的无创医疗美学程序,分别旨在消除针对性皮下脂肪和加强肌肉。Allergan Aesthetics使用传热和电磁模拟来增强这些过程。


由瑞秋Keatley
2021年3月

20世纪70年代,有人观察到,婴儿吃了冰棒后,脸颊上会出现酒窝。为什么?当暴露于冷处理时,婴儿的一些脂肪细胞会死亡,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,帮助激发了一种非侵入式减脂治疗的基础:CoolSculpting®。CoolSculpting®是由哈佛医学院的Dieter Manstein博士和Rox Anderson博士发明的,它可以在不破坏周围组织的情况下靶向并杀死脂肪细胞,使用的是一种被称为低温脂解的脂肪冷冻方法。

艾伯维公司爱力根美学的高级科学家Joel Jimenez Lozano博士帮助设计了CoolSculpting®技术。这个过程用涂抹器将处理过的脂肪细胞冷却到预定的温度。这些脂肪细胞结晶,然后通过细胞凋亡而死亡。死亡的脂肪细胞会被我们身体的自然过程逐渐清除,”希门尼斯·洛扎诺说。CoolSculpting®在最近几年已经成为一种非常受欢迎的脂肪消除治疗,术后所需的停机时间最少,甚至不需要。FDA批准该手术用于治疗身体的各个部位,包括腹部、背部、侧翼、大腿和上臂,以及下巴和下颌轮廓。

最近,Allergan美学开发了另一种加入其名单的程序:Cooltone®,一种无意义的身体轮廓手术,旨在帮助加强和磁性肌肉刺激的肌肉。目前,这种治疗是FDA清除治疗腹部,大腿和贫肌。

设计优化的涂抹器,用于CoolSculpting®处理,并获得对Cooltone®程序中涉及的磁性现象的更深入了解,Jimenez Lozano和他的团队正在使用模拟。

用板块和杯子冷冻脂肪

在CoolSculpting®技术的早期,患者的组织和脂肪细胞将被平行冷却板技术置于低温下60分钟。这些敷料器会用真空吸引将组织固定在适当的位置。虽然冷却板功能正常,但客户希望有更好的效果和更短的处理时间。

“现在,我们提供杯形涂抹器设计,当使用CoolSculpting®系统时,提供了从治疗区域提供有效的热提取,”Jimenez Lozano说。冷却杯涂抹器是金属,使用热电冷却技术,并以不同的尺寸。“杯子被设计成使临床医生可以冷却整个脂肪凸起,而不仅仅是平行板之间的脂肪。”

用于便携式的轮子上的冷却精英系统,其中两个涂抹器连接到设备上并显示在蓝色基座上。“class=
一系列的七个CoolSculpting应用器在不同的杯子大小。“class=
图1所示。CoolSculpting®Elite系统由一个带有用户界面(左)的便携式控制单元组成,并具有不同大小的杯子喷头(右)供使用。

除了为患者提供更舒适的程序外,杯涂器还将治疗时间从60分钟降低到35分钟。对于临床医生不能将组织绘制到真空杯中的身体区域,例如横向大腿,3面板平板涂抹器可供使用。在制造这些改进的涂抹器之前,Jimenez Lozano和他的团队分析了传热仿真的设计。

通过传热模拟增强CoolSculpting®技术

为了设计优化的冷却杯涂抹器,了解病人的组织在不同温度下如何与这些杯子相互作用是很重要的。然而,在现实生活中测量这种互动可能会让患者感到不舒服。模拟可以帮助避免这个问题。在他的工作中,Jimenez Lozano研究组织温度和它们在CoolSculpting®处理期间的瞬态变化。他的目标是提高CoolSculpting®冷却杯的性能,同时保持它们的安全性。使用COMSOL Multiphysics®在CoolSculpting®处理过程中,他模拟冷却杯和组织相互作用。

在治疗过程中,一个模型展示了皮肤组织和CoolSculpting涂抹器杯的特写视图,温度以彩虹的形式显示,其中皮肤是红色的,杯子内部是蓝色的。“class=
图2。CoolSculpting®处理过程中组织内温度分布的模拟。

为了验证他的模型,Jimenez Lozano使用了临床数据。“一旦你验证了一个模型,你就可以更轻松地预测你的设计,”希门尼斯·洛扎诺(Jimenez Lozano)说。“通过我们组织模型中达到的温度评估的低温脂质损伤脂肪组织的程度与我们的人类组织学测量结果一致”(参考文献2)。

根据从模拟中获得的信息,艾尔建美学能够改进他们的涂药器的设计,从而减少他们的治疗时间。在世界各地的医疗水疗中心、皮肤科诊所和整形外科诊所都可以发现这种改进的技术。

CoolTone®技术

爱力根美学对仿真的使用并不止步于CoolSculpting®技术。Jimenez Lozano和他的团队还使用它来优化最近开发的CoolTone®系统。

车轮上的CoolTone系统,便于携带,两侧挂有两个涂抹器。“class=
涂抹器在蓝色乳胶手套的手中。“class=
图3。CoolTone®系统由一个带触摸屏的便携式控制单元和两个涂抹器(左)组成。CoolTone®涂抹器的近景(右)。

“这不是关于脂肪,而是关于肌肉,”希门尼斯·洛扎诺(Jimenez Lozano)在描述无创CoolTone®手术时说。CoolTone®产生一个电磁场,与目标组织相互作用。它会在肌肉上产生电流,导致肌肉收缩,最终可以增强、收紧和收紧肌肉。”

具有圆盘的腹部模型,以代表酷电池涂抹器,磁场显示为腹部周围的箭头,以及彩虹中的温度。“class=
一种解剖学准确的CAD模型,显示某人的腹部,躯干和上臂,以及靠在腹部的凉匙涂抹器。“class=
图4。模拟显示CoolTone®治疗期间腹肌中的峰值磁场(曲线)和感应电场(左)。解剖CAD模型,具有CoolTone®涂抹器(右)。在COMSOL Multiphysics中可以对CAD模型进行分析®使用附加的CAD导入模块。

为了更深入地了解电磁肌肉刺激背后的物理原理以及电流对组织的影响,该团队使用了电磁模拟。Jimenez Lozano说:“要真正了解磁场在组织中是如何相互作用的,你必须建立模型。”当对肌肉、腹部和皮肤进行建模时,研究团队使用了逼真的、解剖学上精确的几何图形。总的来说,这些模拟提高了对施药器组件及其针对肌肉群的电磁性能的理解。

民主化模拟

在Allergan美学,Jimenez Lozano和他的团队使用模拟应用来展示他们的传热和电磁模拟工作,以便内部专家和非专科论者相似。应用程序是在COMSOL Multiphysics中的应用程序构建器构建的®.“与不使用COMSOL的人交流®在他们的工作中更容易应用,“Jimenez Lozano说。

模拟应用程序的用户界面显示输入的温度字段(以摄氏度为单位)和时间字段(以分钟为单位),以及指定输入的温度的彩虹图。“class=
图5.由Jimenez Lozano设计的模拟应用,以在CoolSculpting®处理期间调查不同参数的组织温度。

例如,当向非专业人士展示CoolSculpting®涂敷器冷却杯的模拟应用时,Jimenez Lozano很容易快速演示某些参数的变化,如处理时间或杯子的温度,将如何影响手术结果。爱力根的工程师还会在会议上使用应用程序展示他们的工作,在某些情况下,还会为监管机构提交的文件提供支持数据。

化妆品工业的未来

未来,爱力根美学计划继续致力于新产品的开发,并提高对设备功能和设备-组织相互作用的理解。乐动体育app无法登录

在美国,2019年在2019年进行了超过1630万次微创和/或非侵入性化妆品程序 - 在过去的二十年中有超过三倍的数字(参考文献3)。Jimenez Lozano认为,由于他们的无意识地目标和治疗身体的特定区域,恢复时间的特定区域将继续普及的非侵入性程序。

确认

Joel Jimenez Lozano会感谢所有的工程工作,研究和支持,促进了本文中提供的技术的发展。此外,Jimenez Lozano希望在Allergan美学的高级开发团队执行董事George Frangineas展示特别感谢;Linda Pham,Phd;彼得怡;像曾,博士;和安德鲁黄,保罗·艾伦,加元,先进发展团队的成员。

参考文献

  1. 爱泼斯坦和M. Oren,“冰棒Panniculitis.“,新英格兰医学杂志,卷。282,17,pp。966-7,1970。
  2. Jimenez Lozano,J.,评估皮下脂肪损伤,损伤深度和低温溶解后的温度阈值,手术和医学激光,Vol。51,S30,摘要39th2019年2月的Aslms会议。
  3. 整形外科统计报告“,美国塑料科学学会®,2019年。

COOLSCULPTING®和COOLTONE®是艾伯维公司Zeltiq Aesthetics, Inc.的商标。