Integrated analysis of respiratory-phonatory functions: normative patterns across sex and age

Speech production relies on a finely coordinated interaction between respiratory mechanics and laryngeal function to ensure stable acoustic output. During phonation, breathing shifts from automatic regulation to controlled expiratory support, aimed at maintaining adequate subglottal pressure. However, the quantitative relationship between respiratory kinematics and acoustic output remains incompletely characterized. This study investigates respiratory–phonatory coupling in healthy adults through synchronized measurements of chest wall kinematics and acoustic signals. Forty-one normophonic subjects, stratified by sex and age, performed a standardized set of phonatory and speech tasks. Respiratory motion was assessed using optoelectronic plethysmography, allowing reconstruction of chest wall volumes, while airflow was estimated by volume differentiation and validated against pneumotachograph measurements. Simultaneously, acoustic parameters were extracted. Results revealed a systematic reorganization of respiratory patterns during phonation compared with quiet breathing, characterized by a marked reduction in duty cycle, increased inspiratory volume and flow, and enhanced rib cage contribution. Despite higher operating lung volumes, mean expiratory flow decreased during speech, suggesting active modulation. Sex- and age-related analyses highlighted functional adjustment: women showed more stable thoracic patterns, whereas men and older subjects increased rib cage involvement during phonation. Segmentation relative to Functional Residual Capacity (FRC) demonstrated that phonation above FRC was associated with greater acoustic stability with respect to phonation below FRC. During pitch glide tasks, higher fundamental frequencies were mainly achieved through increased thoracic recruitment rather than increased airflow. Overall, this study, integrating respiratory and acoustic analysis, provides a normative reference framework that may support future studies on pathological subjects.

L’emissione vocale si basa su un’interazione finemente coordinata tra la meccanica respiratoria e la funzione laringea, finalizzata a garantire una produzione acustica stabile. Durante la fonazione, la respirazione passa da una regolazione automatica a un supporto espiratorio controllato, volto al mantenimento di un’adeguata pressione sottoglottica. Tuttavia, la relazione quantitativa tra la cinematica respiratoria e l’output acustico risulta tuttora non completamente caratterizzata. Il presente studio analizza l’accoppiamento pneumofonico in soggetti adulti sani mediante misurazioni sincronizzate della cinematica toracica e dei segnali acustici. Quarantuno soggetti normofonici, divisi per sesso ed età, hanno eseguito un protocollo standardizzato comprendente compiti di fonazione e parlato continuo. Il movimento respiratorio è stato acquisito mediante pletismografia optoelettronica, consentendo la ricostruzione dei volumi della parete toracica, mentre il flusso aereo è stato stimato tramite derivazione del volume e validato mediante confronto con il pneumotacografo. Contestualmente, sono stati estratti i principali parametri acustici. I risultati hanno evidenziato una riorganizzazione sistematica dei pattern respiratori durante la fonazione rispetto alla respirazione a riposo, caratterizzata da una marcata riduzione del duty cycle, da un aumento del volume e del flusso inspiratorio e da un maggiore contributo della gabbia toracica. Nonostante l’impiego di volumi polmonari più elevati, durante il parlato il flusso espiratorio medio risulta ridotto, compatibilmente con un controllo coordinato respiratorio-laringeo. Le analisi stratificate per sesso ed età hanno messo in luce aggiustamenti funzionali: le donne hanno mostrato una maggiore stabilità toracica, mentre uomini e soggetti anziani hanno presentato un maggiore coinvolgimento della gabbia toracica durante la fonazione. La segmentazione rispetto alla Capacità Funzionale Residua (FRC) ha mostrato che la fonazione al di sopra di tale soglia è associata a una maggiore stabilità acustica rispetto alla fonazione al di sotto della FRC. Durante l’esecuzione del glissando, le frequenze fondamentali più elevate sono state raggiunte principalmente attraverso un aumento del reclutamento toracico, piuttosto che mediante un incremento del flusso. Nel complesso, questo studio, integrando l’analisi respiratoria e acustica, fornisce un quadro di riferimento utile a supportare future ricerche su popolazioni con condizioni patologiche.