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マルチフィジックスシミュレーションによる非破壊美容処置の設計

CoolSculpting® と CoolTone® は, それぞれ対象となる皮下脂肪を除去し, 筋肉を強化するように設計された, 別個の非侵襲的な医療美的手順です. Allergan Aesthetics は, これらのプロセスを強化するために熱伝達と電磁気シミュレーションを使用しています.

Rachel Keatley 著
2021 3月

1970年代に, 乳児がアイスキャンデーを食べた後, 頬にくぼみができることが観察されました. なぜでしょう? 冷たいおやつを食べると, 乳児の脂肪細胞の一部が死んで, 小さなくぼみが形成されていたのです(参照1). 数十年後, 「アイスキャンデー脂肪織炎」として知られるこの現象は, 非破壊的な脂肪減少治療の CoolSculpting®の基礎を思いつきました. CoolSculpting® は, ハーバード大学医学部の Dieter Manstein 博士と Rox Anderson 博士によって発明され, 低温脂肪分解と呼ばれる脂肪凍結法を使用して, 周囲の組織に損傷を与えることなく脂肪細胞を標的にして殺します.

AbbVie の会社である Allergan Aesthetics の上級サイエンティストである Joel JimenezLozano 博士は, CoolSculpting® 技術の設計に携わっています. 「この手順では, 処理された脂肪細胞をアプリケーターで事前に指定された温度に冷却します. これらの脂肪細胞は結晶化し, アポトーシスによって死滅します. 死んだ脂肪細胞は,私たち自身の体の自然なプロセスによって徐々に取り除かれます」と, Jimenez Lozano 博士は言います. CoolSculpting® は, 術後のダウンタイムを最小限に抑えるか, 場合によっては必要としないため, 近年, 需要の高い脂肪除去治療となりました. この手順は, 腹部, 背中, 脇腹, 太もも, 上腕, あごやあごの下など, さまざまな身体領域の治療のためにFDAによって承認されています.

近年, Allergan Aesthetics は, 新たな手順を開発しました. それは, CoolTone® という, 磁気筋肉刺激で筋肉を強化し, 緊張させるように設計された非外科的な体型矯正の手順です. 現在, この治療法は, 腹部, 太もも, および臀筋を治療するためにFDAによって承認されています.

CoolSculpting® 治療用に最適化されたアプリケーターを設計し, CoolTone® 処置に関連する磁気現象をより深く理解するために, Jimenez Lozano 博士と彼のチームはシミュレーションを使用します.

プレートとカップによる脂肪の冷却

CoolSculpting® 技術の初期には, 患者の組織と脂肪細胞は, 並列冷却プレート技術を使用して60分間低温にさらされていました. これらのアプリケーターは, 真空吸引で組織を所定の位置に保持していました. 冷却プレートは適切に機能していましたが, 顧客はより良い結果とより短い処理時間を望んでいました.

「現在, CoolSculpting® システムを使用すると, 治療領域から効率的に熱を抽出するカップ型のアプリケーター設計が提供されます」とJimenez Lozano 博士は述べています. 冷却カップアプリケーターは金属製で, 熱電冷却技術を使用しており, さまざまなサイズがあります. 「カップは, 臨床医が平行プレート間の脂肪だけでなく, 脂肪の膨らみ全体を冷却できるように設計されています.」

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
図1. CoolSculpting® Elite System は, ユーザーインターフェースを備えたポータブルコントロールユニットで構成され(左), 使用するカップアプリケーターのサイズが異なります(右).

カップアプリケーターは, 患者により快適な処置を提供することに加えて, 治療時間を60分から35分に短縮してくれます. 大腿外側など, 臨床医が組織を真空カップに引き込むことができない身体領域には, 3パネルのフラットアプリケーターを使用できます. これらの改良されたアプリケーターを製造する前に, Jimenez Lozano 博士と彼のチームは, 熱伝達シミュレーションを使用して設計を分析しました.

伝熱シミュレーションによる CoolSculpting® 技術の強化

最適化された冷却カップアプリケーターを設計するには, 患者の組織がさまざまな温度でこれらのカップとどのように相互作用するかを理解することが重要です. ただし, 実際にこの相互作用を測定することは, 患者にとって不快な場合があります. シミュレーションを使用することによって, この問題を回避できます. Jimenez Lozano 博士の研究では, CoolSculpting® 治療中の組織温度とその一時的な変化を研究しています. 彼は, CoolSculpting® 冷却カップの安全性を維持しながら, その性能を向上させることを目指しています. COMSOL Multiphysics® シミュレーションソフトウェアとアドオンの「熱伝達モジュール」を使用して, CoolSculpting® 治療中の冷却カップと組織の相互作用をモデル化します.

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
図2 .CoolSculpting® 治療中の組織内の温度分布のシミュレーション.

自身のモデルを検証するために, Jimenez Lozano 博士は臨床データを使用します. モデルを検証すると, 設計に関する予測をより快適に行えるようになります」と Jimenez Lozano 博士は言います. 「私たちの組織モデルで到達した温度によって評価された低温脂肪分解による損傷脂肪組織の程度は, 私たちの人間の組織学的測定と一致しました」(参照2).

シミュレーションから得られた情報により, Allergan Aesthetics はアプリケーターの設計を改善し, 治療時間を短縮することに成功しました. 改善された技術は, 世界中の医療スパ, 皮膚科, および形成外科の診療所で見つけることができます.

CoolTone® 技術

Allergan Aesthetics でのシミュレーションの使用は, CoolSculpting® 技術にとどまりません. Jimenez Lozano 博士と彼のチームは, 最近開発された CoolTone® システムの最適化にも使用しています.

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
図3. CoolTone® システムは, タッチスクリーンディスプレーと2つのアプリケーターを備えたポータブルコントロールユニットで構成されています(左). CoolTone® アプリケーターのクローズアップビュー(右).

「重要なのは, 脂肪でなく筋肉なのです」と, Jimenez Lozano 博士は非破壊的な CoolTone® 処置について述べます. 「CoolTone® は, 標的組織と相互作用する電磁界を生成します. それは筋肉に電流を誘導し, さらにそれが筋肉の収縮を生成し, 最終的に筋肉を強化, 調子を整え, 引き締めることができます.」

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
図4. CoolTone® 治療中の腹筋のピーク磁場(曲線)と誘導電場を示すシミュレーション(左). CoolTone® アプリケーターを備えた解剖学的CADモデル(右). CADモデルは, アドオンCADインポートモジュールを使用して COMSOL Multiphysics® で解析できます.

電磁筋肉刺激の背後にある物理学と電流が組織に与える影響をより深く理解するために, チームは電磁シミュレーションを使用します. 「磁場が組織内でどのように相互作用するかを実際に知るには, それをモデル化する必要があります」と, Jimenez Lozano 博士は説明します. 筋肉, 腹部, 皮膚をモデル化する場合, 研究チームは現実的で解剖学的に正確なジオメトリを使用します. 全体として, これらのシミュレーションは, アプリケーターコンポーネントの理解と, ターゲットの筋肉グループに対するそれらの電磁性能を向上させます.

シミュレーションの民主化

Allergan Aesthetics では, Jimenez Lozano 博士と彼のチームはシミュレーションアプリケーションを使用して, 内部の専門家と非専門家の両方に熱伝達と電磁気学のシミュレーション作業を紹介しています. アプリは, COMSOL Multiphysics® のアプリケーションビルダーを使用して構築されます. 「アプリを使用すると, 仕事で COMSOL® を使用していない人とのコミュニケーションが簡単になります」と Jimenez Lozano 博士は述べています.

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
図5. CoolSculpting® 治療中のさまざまなパラメーターで組織温度を調査するために Jimenez Lozano 博士によって設計されたシミュレーションアプリケーション.

例えば, 非専門家に CoolSculpting® アプリケーター冷却カップのシミュレーションアプリケーションを見せる場合, Jimenez Lozano博士は, 治療時間やカップの温度などの特定のパラメーターの変更が手順の結果にどのように影響するかをすばやく説明することができます. Allergan のエンジニアはまた, アプリを使用して会議で自分の仕事を発表し, 場合によっては, 規制当局の提出物のサポートデータを提供したりします.

美容整形業界の未来

将来的には, Allergan Aesthetics は引き続き新製品に取り組み, デバイスの機能とデバイスと組織の相互作用の理解を深める予定です.

米国では, 2019年に1630万件を超える低破壊および/または非破壊の美容処置が実施されました. これは, 過去20年間で3倍以上まで昇りました(参照3). Jimenez Lozano 博士は, 短い回復時間で体の特定の領域を非外科的に標的にして治療する能力のおかげで, 非破壊的手技の人気が高まり続けると信じています.

謝辞

Joel Jimenez Lozano 博士は, エンジニアリング作業, 研究, および支援がこの記事で紹介された技術の開発に貢献していただいた全ての人に感謝いたします. さらに, Allergan Aesthetics の Advanced Development チームのエグゼクティブディレクターであるGeorge Frangineas, Linda Pham, PhD., Peter Yee, Like Zeng, PhD, および Advanced Development チームの Andrew Wong, Paul Allan, Tuan Maiに特別な感謝の意を表します.

参照

  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® および COOLTONE® は, AbbVie の Zeltiq Aesthetics, Inc. の商標です.