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Shaping the Design of Noninvasive Cosmetic Procedures with Multiphysics Simulation

CoolSculpting® et CoolTone® sont des traitements médicaux non invasifs à visée esthétique conçus pour éliminer de façon spécifique d’une part la graisse sous-cutanée et d’autre part renforcer les muscles. Allergan Aesthetics utilise les simulations en transfert de chaleur et en électromagnétisme pour améliorer ces procédés.

By Rachel Keatley
March 2021

Dans les années 1970, il a été observé qu'un nourrisson pouvait développer des fossettes sur ses joues après avoir mangé des glaces à l'eau. La raison ? Lorsqu'elles ont été exposées au froid, certaines cellules graisseuses du nourrisson meurent, ce qui entraîne la formation d'un petit creux (Ref. 1). Des dizaines d'années plus tard, ce phénomène, connu sous le nom de "popsicle panniculitis", a contribué à inspirer les bases d'un traitement non invasif de réduction des graisses : CoolSculpting®. Inventé par Dr. Dieter Manstein et Dr. Rox Anderson de l’école de médecine de Harvard, le CoolSculpting® cible et tue les cellules graisseuses sans endommager les tissus environnants grâce à une méthode de congélation des graisses appelée cryolipolyse.

Joel Jimenez Lozano, docteur et scientifique principal chez Allergan Aesthetics, un société AbbVie, participe à la conception de la technologie CoolSculpting®. "Ce procédé refroidit les cellules graisseuses à des températures prédéfinies à l'aide d'un applicateur. Ces cellules graisseuses se cristallisent, puis meurent par apoptose. Les cellules graisseuses mortes sont progressivement éliminées par les processus naturels de notre corps," explique Jimenez Lozano. Avec un temps de repos minimal, voire nul, après la séance, CoolSculpting® est devenu un traitement d'élimination des graisses très recherché ces dernières années. La méthode est autorisée par la FDA pour le traitement de diverses zones du corps, notamment l'abdomen, le dos, les flancs, les cuisses et la partie supérieure des bras, ainsi que sous le menton et la mâchoire.

Plus récemment, Allergan Aesthetics à développé une autre technique : CoolTone®, un procédé non chirurgical de remodelage du corps conçue pour aider à renforcer et à tonifier les muscles grâce à la stimulation magnétique des muscles. Actuellement, ce traitement est autorisé par la FDA pour traiter les muscles de l'abdomen, des cuisses et des fessiers.

Pour concevoir des applicateurs optimisés pour le traitement CoolSculpting® et pour mieux comprendre les phénomènes magnétiques impliqués dans le procédé CoolTone®, Jimenez Lozano et son équipe utilisent la simulation.

Congélation des graisses avec des plaques et des coupes

Les premières années de développement de la technologie CoolSculpting®, les tissus et les cellules graisseuses du patient étaient soumis à des températures froides pendant 60 minutes avec des échangeurs de chaleur à plaques. Ces applicateurs maintenaient les tissus en place par aspiration. Bien que les plaques de refroidissement donnent satisfaction, les clients ont souhaité obtenir de meilleurs résultats et réduire la durée des traitements.

"Nous proposons désormais un applicateur en forme de coupe, qui permet une extraction efficace de la chaleur dans la zone de traitement, lors de l'utilisation du système CoolSculpting®," explique Jimenez Lozano. Les applicateurs en forme de coupe sont métalliques, utilisent une technologie de refroidissement thermoélectrique et existent en différentes tailles. "Les coupes ont été conçues pour que les cliniciens puissent refroidir l'ensemble du bourrelet graisseux, et pas seulement la graisse située entre les plaques parallèles."

En plus d'offrir aux patients une procédure plus confortable, les applicateurs à coupe ont permis de réduire la durée du traitement de 60 à 35 minutes. Pour les zones du corps où le clinicien ne peut pas aspirer l’ensemble des tissus avec une coupe, comme sur les côtés des cuisses, un applicateur plat à trois plans peut être utilisé. Avant de fabriquer ces applicateurs, Jimenez Lozano et son équipe ont analysé leur design à l'aide d'une simulation de transfert thermique.

Améliorer la technologie CoolSculpting® grâce à la simulation du transfert de chaleur

Afin de concevoir des applicateurs de coupes réfrigérantes optimisés, il est important de comprendre comment les tissus d'un patient interagissent avec ces coupes à différentes températures. Cependant, mesurer cette interaction dans la réalité peut être inconfortable pour les patients. C'est pourquoi, Jimenez Lozano simule les températures des tissus et leurs évolutions dynamiques pendant le traitement CoolSculpting®avec le logiciel de simulation COMSOL Multiphysics^® et son Module Heat Transfer. L'objectif étant d'améliorer les performances des coupes réfrigérantes CoolSculpting®, tout en préservant leur innocuité.

Afin de valider ses modèles, Jimenez Lozano utilise des données cliniques. "Une fois que vous validez un modèle, vous êtes plus à l'aise pour faire des prédictions sur vos modèles," déclare Jimenez Lozano. "L'étendue du tissu adipeux traité par la cryolipolyse, estimée en fonction des températures atteintes dans notre modèle tissulaire, correspond bien à nos mesures histologiques humaines" (Ref. 2).

Grâce aux simulations, Allergan Aesthetics a grandement amélioré la conception de ses applicateurs, plus efficaces et avec une durée de traitement réduite. Cette technologie est utilisée dans les spas médicaux, les cabinets de dermatologie et les cabinets de chirurgie plastique du monde entier.

La technologie CoolTone®

L'utilisation de la simulation chez Allergan Aesthetics ne s'arrête pas à la technologie CoolSculpting®. Jimenez Lozano et son équipe l'utilisent également pour l'optimisation du système CoolTone® récemment développé.

"Ici, il ne s'agit pas de graisse, il s'agit de muscle," explique Jimenez Lozano pour décrire la procédure non invasive CoolTone®. "CoolTone® produit un champ électromagnétique qui interagit avec le tissu ciblé. Il induit un courant électrique dans le muscle, ce qui produit des contractions musculaires et peut éventuellement renforcer, tonifier et raffermir le muscle."

Afin de mieux comprendre la physique derrière la stimulation musculaire électromagnétique et les effets des courants électriques sur les tissus, l'équipe utilise la simulation. "Pour vraiment savoir comment le champ magnétique interagit dans les tissus, il faut le modéliser," explique Jimenez Lozano. Pour modéliser les muscles, l'abdomen et la peau, l'équipe utilise des géométries réalistes et anatomiquement précises. Globalement, ces simulations améliorent la compréhension des composants de l'applicateur et de leurs performances électromagnétiques pour cibler les groupes musculaires.

Démocratiser la simulation

Chez Allergan Aesthetics, Jimenez Lozano et son équipe utilisent des applications de simulation pour présenter leurs travaux sur le transfert de chaleur et les simulations électromagnétiques aux spécialistes internes et aux non-spécialistes. Les applications sont créées avec l'Application Builder de COMSOL Multiphysics^®. "Communiquer avec quelqu'un qui n'utilise pas COMSOL^® dans son travail est plus facile avec les applications," précise Jimenez Lozano.

Par exemple, lorsqu'il montre à un non-spécialiste une application de simulation d’un applicateur de coupe de refroidissement CoolSculpting®, il est facile pour Jimenez Lozano de démontrer rapidement comment la modification de certains paramètres, comme la durée du traitement ou la température des coupes, affecte le résultat du procédé. Les ingénieurs d'Allergan utilisent également des applications pour présenter leurs travaux lors de conférences et, dans certains cas, pour fournir des données justificatives aux organismes de réglementation.

L'avenir de l'industrie des procédés cosmétiques

A l'avenir, Allergan Aesthetics prévoit de continuer à travailler sur de nouveaux produits et d'améliorer la compréhension des fonctionnements des dispositifs et de l'interaction dispositif-tissu.

Aux États-Unis, plus de 16,3 millions de traitements cosmétiques peu invasifs et/ou non invasifs ont été réalisées en 2019 — un nombre qui a plus que triplé au cours des deux dernières décennies (Ref. 3). Jimenez Lozano pense que les traitements non invasifs continueront à gagner en popularité grâce à leur capacité à cibler et à traiter de manière non chirurgicale des zones spécifiques du corps avec des temps de récupération courts.

Remerciements

Joel Jimenez Lozano tient à remercier les personnes dont le travail, les recherches et le soutien ont contribué au développement de la technologie présentée dans cet article. De plus, Jimenez Lozano tient à remercier tout particulièrement George Frangineas, directeur exécutif de l'équipe Advanced Development d'Allergan Aesthetics; Linda Pham, PhD; Peter Yee; Like Zeng, PhD; ainsi que Andrew Wong, Paul Allan et Tuan Mai, membres de l'équipe Advanced Development.