Aerodynamic and Acoustic Analysis of Respiration and Phonation Methods in Normal Adults.

Moon, Young Il; Chung, Sung Min; Kim, Moon Jung; Kim, Yun Joung

Korean Journal of Otorhinolaryngology-Head and Neck Surgery > Volume 42(6); 1999 > Article

Original Article

Korean Journal of Otorhinolaryngology-Head and Neck Surgery 1999;42(6): 756-761.

Aerodynamic and Acoustic Analysis of Respiration and Phonation Methods in Normal Adults.

Young Il Moon, Sung Min Chung, Moon Jung Kim, Yun Joung Kim

Department of Otolaryngology, College of Medicine, Ewha Womans University, Seoul, Korea. ewhaent@netsgo.com

정상 성인의 호흡과 발성 방법에 따른 공기역학적 및 음향학적 변화에 대한 연구

문영일 · 정성민 · 김문정 · 김윤정

이화여자대학교 의과대학 이비인후과학교실

주제어: 음성치료ㆍ복식호흡ㆍ공명발성.

ABSTRACT

BACKGROUND AND OBJECTIVES:
Many patients who have voice disorders simply use too much effort and strain when they speak or sing and create too much laryngeal muscle tension. Therefore voice therapy have been a viable adjunct to surgery and pharmachological therapy for the management of voice disorder. No definitive data exist about the efficacy of techniques used in voice therapy. Moreover, aerodynamic and acoustic analysis according to respiration and phonation methods has seldom been reported.
MATERIALS AND METHODS:
In this study, healthy adults with natural breathing, abdominal breathing, and abdominal breathing with resonant phonation were analysed by aerodynamic and acoustic method.
RESULTS:
In the order of natural breathing, abdominal breathing, and abdominal breathing with resonant phonation, maximum phonation tended to increase, but without statistical significance. In both sex, the fundamental frequency, mean airflow rate, intensity tended to increase and glottal resistance tended to decrease at abdominal breathing and abdominal breathing with resonant phonation than natural breathing, but without statistical significance, except in easy voice. In female, jitter and shimmer were decreased and NHR was increased at abdominal breathing with resonant phonation and the improvement of acoustic aspects was significant.
CONCLUSION:
A change of mode of respiration and phonation which inspire more air and control subglottal pressure properly was found to reduce the glottal adduction and increase the vocal efficiency. This respiration and phonation method appear to enhance normal vocal function especially in female who is apt to have more voice disorders than male.

Keywords: Voice therapyㆍAbdominal breathingㆍResonant phonation

서론 음성장애는 자신이 주관적으로 발성에 문제가 있다고 느끼는 경우에서부터 전문가에 의한 음성평가에서 비정상적으로 평가를 받는 경우까지, 그 정의에 따라 음성장애의 빈도는 1.2%에서 23.4%까지 보고되고 있다.1) 음성장애는 목소리를 많이 사용하는 사람에서 음성남용이나 말할 때나 노래할 때 후두근육의 심한 긴장에 의해 발생되며, 성대 결절, 접촉성 궤양, 육아종 등 여러 가지 후두병변과 연관되어 있기도 하다. 음성장애가 발생된 여러가지 후두병변에 대한 치료로는 약물적 치료, 수술적 치료, 음성치료 등이 있다. 그 중 음성치료는 1930년대에 처음 출판된 이후 그 원칙과 방법은 계속적으로 변화하고 있으나 최근 대두되고 있는 음성치료의 생리학적 방향은 후두근육의 힘을 증진시키고 후두근, 호흡근 사이의 균형을 유지하고 후두의 긴장을 성문상부에서 조절하여 음성효율을 높이는데 그 목적이 있다.2) 이러한 음성치료의 효과에 대한 판단은 객관적인 자료보다는 주로 주관적인 평가법에 의해 많이 논의되어 왔고, 더욱이 호흡과 발성방법의 효과에 대한 자료는 미흡한 상황이다. 이에 본 연구에서는 건강한 성인을 대상으로 여러 가지 목소리에서 호흡과 발성 방법에 따른 공기역학적, 음향학적 변화를 비교 분석하고, 효과적인 호흡 및 발성 방법에 대해 논하고자 하였다. 대상 및 방법 대상 과거력 및 현재력상 음성장애나 후두병변이 없고, 기타 이비인후과 질환 및 발성에 영향을 주는 질환이 없는 건강한 20∼30대의 성인 남녀 각각 50명씩을 대상으로 하였다. 방법 모든 대상자들에게 보통 호흡, 복식 호흡, 복식 호흡 및 공명 발성의 세 가지 호흡 및 발성 방법에서 각각 공기역학적 검사 및 음향학적 검사를 시행하였다. 각각의 방법은 검사전 30분간 연습하도록 하였다. 호흡 및 발성 방법 보통 호흡은 평상시의 편한 호흡을 뜻하고, 복식 호흡은 코로 공기를 최대한으로 흡입하여 양폐에 충분한 공기가 들어가게 한 후 복근을 앞으로 돌출시키고 배근에 힘을 주어 흉곽의 최하부를 앞으로 밀고, 호기시 입을 크게 벌려 충분히 후두 높이를 낮추어 발성하도록 하였다.3) 복식 호흡 및 공명 발성은 복식 호흡을 하면서 혀끝을 상치의 뒤쪽에 밀착시키고 구개수를 뒤쪽으로 밀어 혀와 밀착시킴으로써 호기는 코를 통해 비음화됨과 동시에 두부, 구강, 인두를 공명하여 발성하도록 하였다.3) 공기역학적 검사 최대 발성지속시간을 측정하였고, 그외에 기류저지법을 이용한 음성기능검사기(phonatory function analyzer PS-77, Nagashima, Tokyo, Japan)를 사용하여 편안한 발성상태(Easy voice)에서 측정하였고, 소리의 강도를 다르게 하여 강한 발성(Loud voice)과 부드러운 발성(Soft voice)을 측정하였고, 소리의 높낮이를 달리하여 높은 발성(High voice)과 낮은 발성(Low voice)을 측정하여 총 5가지 발성 상태 4)에서의 기본 주파수, 강도, 호기류율 및 호기압을 측정하였다. 호기압은 성문하압을 반영하며,4) 성문저항을 나타내는 성문하압과 호기류율의 비(subglottal pressure/mean flow rate)를 구하였다.5) 위의 세 가지 다른 호흡 및 발성 조건에서의 공기역학적 측정변수들을 비교분석하였다. 음향학적 검사 Computerized Speech Lab(CSL, Kay Elemetrics, USA)중 Multi-Dimensional Voice Program(MDVP) Model 4305를 사용하여 피검자에게 마이크를 입에서 약 10cm가량 거리를 두도록 한 후, 가능하면 평상시와 같은 높이와 크기의 편안한 목소리로 최소 3초이상의 연속된 아 모음을 세 번이상 내도록 하고, 그 중 가장 안정된 발성을 나타낸 것을 택하여 분석하였다. MDVP중 jitter, shim-mer, NHR(noise-to-harmonic ration)을 측정하였으며, 세 가지 호흡 및 발성 방법에 따른 변수들의 변화를 비교분석하였다. 통계분석 모든 검사결과는 평균치와 표준편차로 나타내었으며 각 평균치들간의 유의성은 5% 수준에서 Scheffe's ANOVA test로 검증하였다. 결과 공기역학적 분석 최대 발성 지속시간은 보통 호흡, 복식 호흡, 복식 호흡 및 공명 발성의 순으로 보면 남자군에서 28, 30, 31초, 여자군에서 20, 22, 23초로 증가하였으나 통계적 의의는 없었다. 기본 주파수는 보통 호흡과 비교했을 때 남자군에서 복식호흡 및 공명발성시 편한 발성(p＝0.014)과 여자군에서 복식 호흡 및 공명 발성시 편한 발성(p＝0.0001), 부드러운 발성(p＝0.013), 낮은 발성(p＝0.0002)일 때 통계적으로 의의있게 증가하였다(Table 1). 소리의 강도는 보통 호흡과 비교했을 때 남자군에서 복식 호흡때 편한 발성(p＝0.04)과 복식 호흡 및 공명 발성때 편한 발성(p＝0.04)이었고, 여자군에서도 역시 복식 호흡때(p＝0.03)와 복식 호흡 및 공명 발성때의 편한 발성(p＝0.03)에서 통계적으로 의의있게 증가하였다(Table 2). 평균 호기류율은 보통 호흡과 비교했을 때 남자군에서 복식 호흡시 편한 발성(p＝0.014) 및 복식호흡 및 공명 발성시 편한 발성(p＝0.014)과 여자군에서 복식 호흡시 편한 발성(p＝0.001), 부드러운 발성(p＝0.002), 복식 호흡 및 공명 발성시 편한 발성(p＝0.001), 강한 발성(p＝0.016), 부드러운 발성(p＝0.002)일 때 통계적으로 의의있게 증가하였다(Table 3). 호기압은 남녀군 모두에서 큰 차이를 나타내지 않았다(Table 4). 성문 저항은 보통 호흡과 비교했을 때 여자군에서 복식 호흡시 편한 발성(p＝0.04)과 복식 호흡 및 공명 발성시 편한 발성(p＝0.04), 강한 발성(p＝0.036)일 때 통계적으로 의의있게 증가하였다(Table 5). 음향학적 분석 남자군에서는 호흡 및 발성 방법에 따른 jitter, shimmer, NHR의 차이는 없었고, 여자군에서는 복식 호흡 및 공명 발성으로 갈수록 jitter(p＝0.03), shimmer(p＝0.001)는 감소하였고 NHR은 증가하였다(p＝0.04)(Table 6). 고안 발성은 폐에서 나오는 호기류가 음성의 에너지원으로 작용하여 성문을 적당한 정도로 닫고 숨을 내쉬어 성대가 진동하게 하여 음을 발생하는 것으로, 이 원음이 하인두, 구인두, 비인두, 구강 등의 성도(vocal tract)를 지나면서 여러 가지 주파수의 요소들로 변형이 되는 공명(resonance)과 혀와 입술의 운동으로 인해 이루어 지는 조음(articulation)을 통해 음성(voice)이 발생한다. 그러므로 흡입된 공기가 호기시 기관과 기관지의 기류저항을 거치고 성문하에 도달하여 얼마나 음원생성의 힘으로 바뀌는지를 나타내는 음성효율이 중요하다고 하겠다.6) Yanagihara와 Koike7)는 음성발생에 쓰이는 폐활량, 호기시의 힘, 성문저항을 최대지속 발성을 이루는 세 가지 생리학적 요소라고 하였다. 이 중 폐활량을 크게 하여 음성효율을 높이고 좋은 음성을 내는데 가장 중요한 요소 중 하나는 적절한 호흡지지법(breath support)으로서 발성시의 호흡방법을 크게 세 가지로 나눌 수 있다.8) 쇄골식 호흡(clavicular breathing)은 흡기시 외늑간근과 부속 흉부근육을 사용하여 흡기시 어깨와 횡격막이 올라가고 상흉부만 팽창되는 것이 특징으로, 동시에 불필요하게 후두 근육 긴장이 증가하여 습관화되면 성대에 무리를 줄 수 있다. 흉식 호흡(thoracic breathing)은 흡기동안 흉곽의 팽창을 특징으로 하며 대화하는 동안 발성을 도울 충분한 공기를 제공한다. 대부분의 성인들이 이 방법으로 호흡하지만 더 많은 공기가 필요한 가수, 배우들의 경우 이 호흡법만으로는 부적절하다. 발성에 있어 가장 효과적인 호흡방법은 복식 호흡으로서 횡격막을 아래로 수축시킴으로써 하흉부와 복부를 팽창시켜 최대한의 공기를 흡기하도록 하며, 흡기된 공기의 양과 호기의 조절이 자율적으로 긴장이나 힘이 들어가지 않고 조절되는 방법이다. 그러나, 복식 호흡에만 의존하게 되면 횡격막이 압박을 받아 음성확대가 불가능하게 된다. 그래서 공명이 필요한데, 비강 및 입으로 흡기하여 흉곽 후부전반에 걸쳐 공기를 충만시키고 배근과 요근을 하강시키고 긴장시킨다. 흉강으로부터의 호기는 비교적 편하게 호출되어 인두에 대량 저장되며 동시에 성문을 통과하는 호기의 압력은 흉성의 경우에 비해 약하므로 공기의 진동이 인두로부터 두부에 걸쳐 강하게 반향하기 때문에 두부 공명이 생긴다. 그럼으로써 호기시의 힘이 증가된다. 그 외에 성문저항도 효과적인 발성에 중요한데, 부적절한 호흡과 성문내전력의 증가는 음성장애를 초래하는 큰 원인 중 하나로 발성 방법을 훈련받지 못 한 사람들은 목소리의 크기를 높이고자 할 때 습관적으로 성문내전력을 증가시키는 경향이 있다. 또, Titze 등9)은 성악 발성법을 교육받지 않은 비전문가수(nonprofessional singer)에서 세 가지 다른 발성 방법(pressed, neutral, flow phonation)에서 flow phonation일수록 성대의 내전력이 감소하고 최대 성문허용(peak glottal permittance：peak transglottal ai-rflow / subglottal pressure)이 증가하는 것을 관찰하였고 이 비율은 성문내전과 밀접한 관계가 있다고 하였다.10)11) Miller와 Verdolini1)의 음성장애를 일으키는 위험요소들에 대한 연구에서 보듯이 발성동안 후두의 형태(laryngeal configuration) 또는 발성의 습관도 관련이 있어서 성대의 과내전형(hyperadducted configuration)은 성대 결절의 위험성을 증가시키고 반대로 저내전형(hypoadducted configuration)은 성대 결절의 위험성을 감소시키는 것을 확인하였다. 그 외에 가수, 교사 등 목소리를 많이 사용하는 사람들, 이전에 음성장애를 경험했던 사람들, 점막을 마르게 하는 약물을 사용한 사람들, 남자보다는 여자에서 더 많은 음성장애가 있었다고 밝히고 있으며, 이러한 위험인자들은 목소리를 많이 쓰는 사람들 군이나 다른 직업을 가진 사람들 군에서 다르지 않았다. 그리고 과거에 음성장애가 있었던 사람들 중 음성치료를 받았던 사람에서 다시 음성장애가 발생하는 비율이 적은 것으로 보아 음성치료가 음성장애의 중요한 치료방법 중의 하나임을 알 수 있다. 음성치료는 후두를 더욱 이완된 상태로 돌리고, 호흡을 증진시켜 후두근, 호흡근 사이의 힘을 적절히 조정하여 정상적인 발성을 하도록 하여 잘못된 호흡과 발성 방법으로 인한 음성장애를 치료하는 방법으로서 수술및 약물요법에 병행하여 시행되어 왔으며, 최근에는 생리학적 음성요법 프로그램이 선호되고 있어 이를 위한 여러 가지 프로그램이 개발되고 있으며 그 효과에 대해 음성학적 분석도 보고되었다. Roy와 Leeper12)의 연구에서는 음향학적 분석에서 jitter는 유의한 차이를 보이지 않았으나 shimmer와 NHR은 유의하게 개선되었음을 보였고, Stemple 등13)은 정상 여자성인에서 음성 기능 훈련(vocal function exercise) 시행후 기본 주파수, jitter는 별다른 변화가 없었으나 공기역학적 측면의 변화는 유의하게 나타났다고 보고하였다. 우리나라에서도 표 등14)이 성대 결절환자에서 저작접근법, 호흡연습 등의 음성치료를 통해 공기역학적 및 음향학적 개선을 보고한 바 있다. 본 결과에서도 단시간의 호흡 및 성문하강법 연습에 의한 음성분석에서 남녀군 모두 편한 발성에서 보통 호흡, 복식 호흡, 복식 호흡 및 공명 발성으로 갈수록 성문하압이 크게 차이나지 않았음에도 기본 주파수, 강도, 호기류율이 통계적으로 유의있게 증가하였고 성문저항은 감소하여 성문내전력이 개선된 것을 확인하였다. 발성의 크기는 성문하압에 의해 주로 조절되고, 성문하압은 음성조절의 첫 번째 중요한 인자로서 성문하압이 높으면 소리의 강도도 증가하고 기본 주파수도 증가한다. 그러나 성문하압은 또한 성문의 내전력, 기본 주파수, 포르만트 주파수에 의해서도 영향을 받는다.15) 즉, 목소리의 크기를 변화시키기 위해서는 성문하압뿐만 아니라 성문내전과 같은 다른 요소가 필요하다. 본 연구의 발성방법의 결과에 따르면 강한 발성과 높은 발성을 할 때 편한 발성에 비해 기본 주파수, 소리의 강도, 평균 호기류율, 성문하압이 대체로 증가하였고, 같은 발성에서 호흡 및 발성 방법을 달리한 경우 강한 발성과 높은 발성을 할 때 보통 호흡, 복식 호흡, 복식호흡 및 공명 발성에서 통계적으로 의의있는 차이를 보이지 않았다. 편한 발성보다 강한 발성, 높은 발성, 부드러운 발성, 낮은 발성일 때 성문저항이 대체로 증가하는 것으로 보아 음성치료는 가장 편안한 발성으로 행하는 것이 바람직하다고 본다. 그리고, 폐활량과 직접적인 연관이 있는 변수인 최대 발성 지속시간은 발성 방법에 따라 호기류율 증가에 비해 폐활량의 증가가 더 커져 개선되었으나 통계적 의의는 없었다. Stemple 등13)이 음성기능훈련 후 시행한 최대 발성 지속시간의 측정에서 훈련후 1∼4주 사이에 의의있는 증가를 가져 온 것으로 보아 호흡과 발성 연습을 계속하면 더욱 개선되리라 생각된다. 본 연구결과 보통 호흡과 복식 호흡, 복식 호흡 및 공명 발성사이에 공기역학적으로 의의있는 변화는 남자군보다 여자군에서 보다 뚜렷하였다. 음향학적 측면에서도 여자군에서는 성대진동의 주기마다 시간의 불규칙성을 나타내는 jitter와 성대진동의 주기마다 강도의 불규칙성을 나타내는 shimmer가 복식 호흡 및 공명 발성으로 갈수록 감소하였고, NHR도 증가하여 호흡 및 발성 방법의 개선이 발성의 불규칙성에도 호전을 주며 남자군보다 여자군에서 통계적으로 의의있게 호전되는 것을 볼 수 있었다. 앞서 언급한 바와 같이 음성장애의 위험인자에 대한 보고에서도 성별의 차이가 있는데, 여자는 발성시 후성문틈새(posterior glottal gap)가 있어 성대결절의 빈도가 더 높은 것으로 추측된다. 이와 같이 여자에서 남자보다 후성문틈새가 많은 이유는 첫째, 해부학적인 요인으로 성문의 전후길이가 남자가 여자보다 1.5배정도 큰 반면에 측면 또는 너비는 성별차이가 거의 없어서 성문을 완전히 닫기 위해서는 남자보다 여자에서 성대가 더 접촉되어야 한다. 둘째로는 이러한 해부학적인 요인이외에도 발성 습관이 후성문틈새에 영향을 준다고 되어 있다.16) 또한 평상시 남자는 주로 복식 호흡을 하는 반면 여자는 주로 흉식 호흡을 하기 때문으로 사료된다.3) 결론적으로 호흡과 발성 방법의 개선으로 폐활량을 증가시키고 성문내전력을 감소시키면, 성문저항이 감소하면서 증가된 호기류율의 에너지는 최대 발성지속시간, 기본 주파수, 강도의 증가에 사용되어 음원생성능력을 증가시키고 음향학적 개선을 나타냄을 관찰할 수 있었다. 결론 후두 병변이 없는 건강한 20-30대의 성인 남녀에게 복식 호흡과 성대 긴장을 줄이는 발성연습을 시행한 결과, 공기역학적 측면에서 볼 때 보통 호흡, 복식 호흡, 복식 호흡 및 공명 발성으로 변화함에 따라 폐로 흡기된 공기의 양이 증가하고 성문 내전력은 약해져 성대의 부담을 덜어 성문 저항은 감소하였다. 따라서 성문하압이 크게 증가하지 않음에도 호기류율, 기본 주파수, 소리의 강도, 최대 발성지속시간이 증가하였다. 음향학적 측면에서도 호흡 및 발성 방법의 변화에 따라 jitter, shimmer는 감소하였고 NHR은 증가하여 발성의 규칙성을 회복할 수 있었다. 그리고 여자군에서 남자군보다 공기역학적 변화와 음향학적 개선이 뚜렷하였으며, 남자보다 음성장애가 더 많은 여자에서 적절한 호흡 및 발성 방법의 연습이 음성치료에서 큰 역할을 할 것으로 사료된다.
REFERENCES
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