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성대 (기관)

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목차

1. 개요

성대는 후두 내에 위치하며 발성에 핵심적인 역할을 하는 한 쌍의 주름이다. 성대는 날숨이 통과할 때 진동하여 소리를 생성하며, 이 진동의 빠르기에 따라 소리의 높낮이가 결정된다. 성대는 편평 상피, 성대근, 고유판 등으로 구성되어 있으며, 남성과 여성의 크기에 차이가 있어 목소리 음높이의 차이를 유발한다. 성대와 관련된 질환으로는 성대 폴립, 반회 신경 마비, 후두암, 성대 구증 등이 있으며, 후두암의 경우 수술 후 인공 후두, 식도 발성 등의 방법으로 음성을 대체해야 할 수 있다. 성대의 발달은 출생, 사춘기, 노년기에 걸쳐 호르몬의 영향을 받으며 변화한다. 성대의 운동은 다양한 모델로 설명되며, 2질량 모델이 널리 사용된다.

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성대 (기관)
개요
명칭성대 (聲帶)
영어 명칭vocal cords 또는 vocal folds
라틴어 명칭plica vocalis
기능발성을 통해 소리를 내는 데 도움을 주는 목구멍 조직의 주름
구조
위치후두
구성점막
성대인대
성대근
크기남성: 1.75cm ~ 2.5cm
여성: 1.25cm ~ 1.75cm
설명한 쌍의 주름으로 구성되어 있으며, 후두 내에 위치함.
기능
역할발성: 성대의 진동을 통해 소리 생성.
호흡: 성대의 개폐를 통해 공기 흐름 조절.
기침: 이물질 배출을 위한 반사 작용.
발성 과정뇌: 발성 명령을 내림.
호흡기: 공기를 폐에서 성대로 보냄.
성대: 공기의 흐름에 따라 진동하여 소리 생성.
공명 기관: 입, 코, 목 등을 통해 소리 증폭 및 변조.
임상적 중요성
질병성대 결절
성대 폴립
후두암
성대 마비
손상 요인과도한 음성 사용
흡연
감염
외상
예방 및 관리적절한 발성 습관
금연
습도 유지
정기적인 검진
기타 정보
발달여섯 번째 인두 활에서 유래

2. 구조

성대는 기관 상단부의 후두 내에 위치하며, 뒤쪽으로는 피열 연골, 앞쪽으로는 브로일 인대를 통해 갑상 연골에 부착되어 있다. 성문의 일부인 성대는 바깥쪽 가장자리는 후두의 근육에, 안쪽 가장자리는 성문 틈새라고 불리는 열린 공간을 형성한다. 성대는 상피로 구성되어 있지만, 몇 개의 근육 섬유, 특히 성대근이 갑상 연골 근처의 인대 앞부분을 조여준다. 성대는 평평한 삼각 띠 모양이며 진주색을 띤다. 성문 양쪽 위에는 두 개의 전정 주름(거짓 성대)이 있고, 이들 사이에는 작은 낭이 있다.[1]

성대는 세 가지 뚜렷한 조직의 쌍을 이루는 접힘으로 구성되어 있다.


  • 케라틴을 생성하지 않는 편평한 세포의 바깥층(편평 상피)
  • 젤과 같은 층인 고유판의 얕은 층. 이 층은 성대가 진동하여 소리를 생성할 수 있게 해준다.
  • 성대근과 갑상피열근이 가장 깊은 부분을 구성한다.


성대는 점막으로 덮여 있으며, 뒤에서 앞으로 수평으로 후두를 가로질러 뻗어 있다.

남성과 여성은 성대의 크기가 서로 다르다. 성인 남성의 목소리는 일반적으로 더 길고 두꺼운 성대 때문에 더 낮은 음을 낸다. 남성의 성대는 길이가 1.75cm에서 2.5cm 사이인 반면,[3] 여성의 성대는 길이가 1.25cm에서 1.75cm 사이이다. 어린이의 성대는 성인 남성과 여성의 성대보다 훨씬 짧다. 이처럼 남성과 여성의 성대 길이와 두께 차이는 목소리 음높이의 차이를 유발한다. 또한, 유전적 요인으로 인해 같은 성별 내에서도 성대 크기 차이가 발생한다.

2. 1. 위치

성대는 기관 상단부의 후두 내에 위치한다. 성대는 뒤쪽으로는 피열 연골에, 앞쪽으로는 브로일 인대를 통해 갑상 연골에 부착되어 있다. 성대는 성문의 일부이다. 성대의 바깥쪽 가장자리는 후두의 근육에 부착되어 있으며, 안쪽 가장자리는 성문 틈새라고 불리는 열린 공간을 형성한다. 성대는 상피로 구성되어 있지만, 성대에는 몇 개의 근육 섬유가 있는데, 특히 성대근은 갑상 연골 근처의 인대 앞부분을 조여준다. 성대는 평평한 삼각 띠 모양이며 진주색을 띤다. 성문 양쪽 위에는 두 개의 전정 주름 또는 거짓 성대가 있는데, 이들 사이에는 작은 낭이 있다.

2. 2. 가성대

성대는 때때로 '진성대'라고 불리며, 이는 전정 주름 또는 '심실 주름'으로 알려진 '가성대'와 구별하기 위함이다. 가성대는 점막의 두꺼운 주름 쌍으로, 더 섬세한 진성대를 보호하고 약간 더 높이 위치한다. 이들은 정상적인 발성에서 최소한의 역할을 하지만, 티베트 불교 의식과 투바 후미에서 깊고 웅장한 소리를 내는 데 자주 사용되며, 음악적 스크리밍과 데스 그라울 창법에서도 사용된다.[1]

2. 3. 미세 해부학

성대는 세 가지 뚜렷한 조직의 쌍을 이루는 접힘으로 구성되어 있다.

  • 케라틴을 생성하지 않는 편평한 세포의 바깥층(편평 상피)
  • 젤과 같은 층인 고유판의 얕은 층. 이 층은 성대가 진동하여 소리를 생성할 수 있게 해준다.
  • 성대근과 갑상피열근이 가장 깊은 부분을 구성한다.


이 성대는 점막으로 덮여 있으며, 뒤에서 앞으로 수평으로 후두를 가로질러 뻗어 있다. 성대는 다양한 이방성 조직(예: 점막, 인대, 근육)으로 구성된 복잡한 기관이다. 성대를 물리적으로 이해하고 의학적으로 개입하는 데 유용한 조직 구조 모델이 다양하게 제안되어 있다.

2. 4. 변이

남성과 여성은 성대의 크기가 서로 다르다. 성인 남성의 목소리는 일반적으로 더 길고 두꺼운 성대 때문에 더 낮은 음을 낸다. 남성의 성대는 길이가 1.75cm에서 2.5cm 사이인 반면,[3] 여성의 성대는 길이가 1.25cm에서 1.75cm 사이이다. 어린이의 성대는 성인 남성과 여성의 성대보다 훨씬 짧다. 이처럼 남성과 여성의 성대 길이와 두께 차이는 목소리 음높이의 차이를 유발한다. 또한, 유전적 요인으로 인해 같은 성별 내에서도 성대 크기 차이가 발생하며, 남성과 여성의 목소리는 음역대로 분류된다.

3. 발달

성대는 나이와 성별에 따라 구조와 기능이 변화하며 발달한다.
신생아의 성대는 균일한 단층 구조이며, 히알루론산 함량이 높아 울음소리를 내는 데 적합하다. 어린이의 성대는 점차 층이 분화되어 성인과 유사한 구조를 갖춘다.
사춘기에는 성 호르몬의 영향으로 큰 변화가 일어난다. 여성의 성대는 얇고 유연하게 유지되는 반면, 남성의 성대는 굵고 길어져 목소리가 굵어진다. 여성의 경우 에스트로겐과 프로게스테론이, 남성의 경우 테스토스테론이 주요한 영향을 미친다.[8]
성인의 성대는 5개의 층으로 구성되며, 각 층은 콜라겐, 엘라스틴 섬유, HA 등의 세포외 기질로 구성되어 고유한 기능을 수행한다.
노년에는 성대의 엘라스틴 함량이 증가하고 고유층의 두께가 얇아지며, 성별에 따라 다른 변화를 보인다.[10] 여성은 후두 성대 덮개가 두꺼워지고 고유판 표층은 부종으로 밀도가 감소한다. 남성은 고유판 중간층이 위축되고 깊은 층은 콜라겐 침착이 증가하여 두꺼워진다.[10][11][5][12][13]

발성과 호르몬은 성대 발달에 중요한 영향을 미친다. 발성은 성대 세포를 자극하여 세포외 기질 생성을 촉진하고, 호르몬은 성대 세포 수용체와 결합하여 구조 변화를 유도한다.

3. 1. 신생아

신생아는 균일한 단일층 고유판을 가지고 있으며, 이는 성대 인대가 없는 느슨한 구조로 보인다.[4] 단층 고유판은 히알루론산 및 피브로넥틴, 섬유아세포, 탄성 섬유 및 콜라겐 섬유와 같은 기질로 구성된다. 섬유 성분은 희소하여 고유판 구조를 느슨하게 만들지만, 히알루론산(HA) 함량은 높다.

HA는 부피가 크고 음전하를 띠는 글리코사미노글리칸으로, 물과의 강한 친화력으로 인해 성대 생체역학에 필수적인 점탄성과 충격 흡수 특성을 갖는다.[5] 점도와 탄성은 발성에 매우 중요하다. Chan, Gray 및 Titze는 HA가 있는 조직과 없는 조직의 특성을 비교하여 히알루론산이 성대의 점도와 탄성에 미치는 영향을 정량화했다.[6] 그 결과, 히알루론산을 제거하면 성대의 강성이 평균 35% 감소하지만 1Hz보다 높은 주파수에서 동적 점도는 평균 70% 증가하는 것으로 나타났다. 신생아는 생후 3개월 동안 하루 평균 6.7시간 울고, 400–600Hz의 지속적인 음높이와 하루 평균 2시간의 지속 시간을 보인다.[7] 성인 성대에 비슷한 처리를 하면 부종이 빠르게 발생하고, 이로 인해 발성 불능증이 발생한다. Schweinfurth 등은 신생아 성대의 높은 히알루론산 함량과 분포가 신생아의 울음 지구력과 직접적으로 관련이 있다는 가설을 제시했다.[7] 신생아의 이러한 성대 구성의 차이는 고유판이 성대 인대가 없는 균일한 구조라는 사실 외에도 신생아가 소리를 내지 못하는 원인이 된다. 발성에 필요한 층상 구조는 유아기에 시작되어 청소년기까지 발달한다.[4]

신생아의 Reinke's space에 있는 섬유아세포는 미성숙하며, 타원형 모양과 큰 핵-세포질 비율을 보인다.[4] 전자 현미경 사진에서 나타난 바와 같이 조면 소포체와 골지체는 잘 발달하지 않아 세포가 휴지기에 있음을 나타낸다. 신생아 성대의 콜라겐 및 그물 섬유는 성인보다 적어 성대 조직의 미성숙함을 더한다.

3. 2. 어린이

영아의 고유층은 성인의 3개 층과 달리 한 개 층으로 구성되어 있으며, 성대 인대가 없다. 성대 인대는 약 4세부터 나타나기 시작한다. 6세에서 12세 사이에 고유층에 두 개의 층이 나타나며, 표면, 중간 및 심층을 가진 성숙한 고유층은 청소년기 말에만 존재한다. 성대 주름 진동은 음성 포만트의 기초이므로, 이러한 조직층의 유무는 성인과 소아 인구 간의 포만트 수 차이에 영향을 미친다.[1] 여성의 목소리는 소아의 목소리보다 3톤 낮고 3~6개의 포만트를 가진 소아 목소리와 반대로 5~12개의 포만트를 갖는다.[1]

출생 시 성대 주름의 길이는 약 6mm~8mm이며, 청소년기에 8mm~16mm의 성인 길이에 도달한다.[1] 영아 성대 주름은 반은 막성이거나 앞쪽 성문이며, 반은 연골성이거나 뒤쪽 성문이다.[1] 성인 주름은 약 3/5가 막성이고 2/5가 연골성이다.[1]

3. 3. 사춘기

사춘기는 보통 2~5년 동안 지속되며, 일반적으로 12세에서 17세 사이에 발생한다. 사춘기 동안 목소리 변화는 성 호르몬에 의해 제어된다. 여성의 경우, 사춘기 동안 성대 근육이 약간 두꺼워지지만 매우 유연하고 좁은 상태를 유지한다. 편평 상피 점막 또한 성대의 자유 가장자리에 세 개의 뚜렷한 층(고유판)으로 분화된다. 성문하 및 성문상 샘 점막은 에스트로겐과 프로게스테론에 대한 호르몬 의존성을 갖게 된다. 여성의 경우, 에스트로겐과 프로게스테론의 작용은 모세혈관 투과성을 증가시켜 혈관 내 유체가 간질 공간으로 이동하도록 하고, 샘 분비를 변형시킴으로써 혈관 외 공간의 변화를 일으킨다. 에스트로겐은 표면층의 박리 효과를 줄여 점막에 비대 및 증식 효과를 나타낸다. 갑상선 호르몬 또한 성대의 역학적 기능에 영향을 미친다(하시모토 갑상선염은 성대의 수분 균형에 영향을 미친다). 프로게스테론은 점막에 항증식 효과를 나타내고 탈락을 가속화한다. 이는 성대 상피에 생리 주기와 유사한 주기를 유발하고, 샘 상피의 분비를 감소시켜 점막을 건조하게 만든다. 프로게스테론은 이뇨 효과를 나타내고 모세혈관 투과성을 감소시켜, 세포외액을 모세혈관 밖으로 가두어 조직 울혈을 유발한다.

고환에서 분비되는 안드로겐인 테스토스테론은 사춘기 동안 남성의 후두 연골과 근육에 변화를 일으키며, 출생 시 성별 지정된 여성 및 간성 개인, 그리고 남성화 호르몬 치료를 받는 안드로겐 결핍 환자에게도 어느 정도 영향을 미친다. 여성의 경우, 안드로겐은 주로 부신 피질과 난소에서 분비되며, 충분히 높은 농도로 존재할 경우 되돌릴 수 없는 남성화 효과를 나타낼 수 있다. 남성의 경우, 안드로겐은 남성 성(性)에 필수적이다. 근육에서 안드로겐은 골격근의 지방 세포 감소와 함께 가로무늬 근육의 비대를 유발하고, 전신 지방량을 감소시킨다. 안드로겐은 소년의 목소리가 성인 남성의 목소리로 변하는 데 가장 중요한 호르몬이며, 이러한 변화는 재건 수술 (예: 여성화 후두 성형술) 없이는 되돌릴 수 없다. 성대를 포함하는 갑상 연골 돌출부(후두 융기)가 나타나고, 성대가 길어지고 둥글게 되며, 상피가 두꺼워져 고유판에 세 개의 뚜렷한 층이 형성된다.[8] 이러한 변화 또한 수술 없이는 되돌릴 수 없지만, 후두 융기는 기관 연골 깎기 또는 여성화 후두 성형술을 통해 잠재적으로 감소될 수 있다.

3. 4. 성인

사람의 성대는 기관 바로 위에 있는 후두에 위치한 한 쌍의 구조로, 발성 시 진동하고 접촉한다. 성대의 길이는 대략 12~24mm이고, 두께는 3~5mm이다.[9]

성대는 다섯 개의 서로 다른 층으로 구성된 적층 구조이다. 성대의 주요 몸체인 성대근은 점막으로 덮여 있으며, 점막은 다시 상피와 고유판으로 구성된다.[10] 고유판은 얕은 층(SLP), 중간 층(ILP), 깊은 층(DLP)의 세 개 층으로 구성된 유연한 결합 조직이다.[11] 층 구분은 세포 내용물 또는 세포외 기질 내용물의 차이에 따라 이루어진다.

고유판의 각 층은 다음과 같은 특징을 갖는다.

  • 얕은 층(SLP): 탄성 섬유와 콜라겐 섬유가 적어 느슨하고 유연하다.
  • 중간 층(ILP): 주로 탄성 섬유로 구성되어 있다.
  • 깊은 층(DLP): 탄성 섬유가 적고 콜라겐 섬유가 더 많다.[10]


성대 인대라고 불리는 묶음으로 뭉쳐진 탄성 및 콜라겐 섬유는 중간층(ILP)과 깊은층(DLP)에 존재하며, 성대 주름의 가장자리에 거의 평행하게 뻗어 있다.[10]

성대 고유판(LP)의 세포외 기질은 콜라겐과 엘라스틴과 같은 섬유 단백질과 HA과 같은 간질 분자로 구성되어 있다.[11] 성대근에 가까워질수록 얕은 층(SLP)은 탄성 및 콜라겐 섬유가 부족하지만, 중간층(ILP)과 깊은층(DLP)은 대부분 이들로 구성되어 있으며, 탄성 섬유의 농도는 감소하고 콜라겐 섬유의 농도는 증가한다.[10]

세포외 기질 내에서 섬유 단백질과 간질 분자는 서로 다른 역할을 수행한다.

  • 섬유 단백질:
  • 콜라겐(주로 I형): 조직에 강도와 구조적 지지력을 제공하여 힘을 받으면 스트레스를 견디고 변형에 저항한다.
  • 엘라스틴 섬유: 조직에 탄성을 부여하여 변형 후 원래 모양으로 돌아갈 수 있게 한다.[11]
  • 간질 분자(HA): 전단 희석, 조직 점도 조절, 공간 채움, 충격 흡수, 상처 치유 및 세포 이동 촉진 등의 역할을 한다.[5]


이러한 단백질과 간질 분자의 분포는 나이와 성별의 영향을 받으며, 섬유아세포에 의해 유지된다.[11][12][5][13]

3. 4. 1. 성숙

신생아는 균일한 단일층 고유판을 가지는데, 이는 성대 인대가 없는 느슨한 구조로 보인다.[4] 단층 고유판은 히알루론산, 피브로넥틴, 섬유아세포, 탄성 섬유 및 콜라겐 섬유와 같은 기질로 구성된다. 섬유 성분은 희소하여 고유판 구조를 느슨하게 만들지만, 히알루론산(HA) 함량은 높다.

HA는 점탄성과 충격 흡수 특성을 가져 성대 생체역학에 필수적이다.[5] 히알루론산 제거 시 성대의 강성은 평균 35% 감소, 1Hz보다 높은 주파수에서 동적 점도는 평균 70% 증가한다.[6] 신생아는 생후 3개월 동안 하루 평균 6.7시간, 400–600Hz의 지속적인 음높이, 하루 평균 2시간 동안 운다.[7] 신생아 성대의 높은 히알루론산 함량과 분포는 신생아의 울음 지구력과 관련이 있다는 가설이 있다.[7] 신생아의 성대는 층상 구조가 없어 발성에 필요한 구조는 유아기에 시작되어 청소년기까지 발달한다.[4]

신생아의 Reinke's space에 있는 섬유아세포는 미성숙하며, 타원형 모양과 큰 핵-세포질 비율을 보인다.[4] 조면 소포체와 골지체는 잘 발달하지 않아 세포가 휴지기에 있음을 나타낸다. 콜라겐 및 그물 섬유는 성인보다 적다.

유아에서는 많은 섬유 성분이 황반에서 Reinke's space로 뻗어 있으며, 피브로넥틴이 풍부하다. 피브로넥틴은 콜라겐 섬유의 방향성 침착을 위한 템플릿, 탄성 조직 형성을 위한 골격 역할을 한다.[4] 그물 섬유와 콜라겐 섬유는 전체 고유판을 따라 성대의 가장자리를 따라 뻗어 있다.[4] 탄성 섬유는 유아기에도 희소하고 미성숙하며, 대부분 미세 섬유로 구성되었다. 유아 Reinke's space의 섬유아세포는 여전히 희소했지만 방추형이었다. 조면 소포체와 골지체는 여전히 잘 발달하지 않았다. 유아 Reinke's space의 기질 함량은 섬유 성분 함량이 증가함에 따라 시간이 지남에 따라 감소하는 것으로 보였다.

성인의 성대 구조는 신생아와 다르다. 신생아의 미성숙 단층에서 성인의 성숙 3층 조직으로 성숙하는 과정은 아직 완전히 밝혀지지 않았지만, 몇몇 연구에서 조사되었다.

히라노 등은 신생아에게는 진정한 고유판이 없고, 대신 느슨한 성대 조직의 앞쪽과 뒤쪽에 위치한 황반이라고 불리는 세포 영역이 있다는 것을 발견했다.[4][14] 보슬리와 하트닉은 소아의 인간 성대 고유판의 발달과 성숙을 조사했다.[15] 하트닉은 세포 농도의 변화를 통해 각 층을 정의했다.[16] 그는 출생 시와 직후의 고유판 단층이 과세포성이며, 이는 히라노의 관찰을 확인한다는 것을 발견했다. 생후 2개월이 되면 성대는 뚜렷한 세포 농도를 가진 2층 구조로 분화되기 시작했고, 표층은 심층보다 덜 조밀하게 채워졌다. 11개월이 되면 일부 표본에서 3층 구조가 나타나기 시작했으며, 마찬가지로 세포 밀도가 달랐다. 성대가 조직되기 시작하는 것처럼 보이지만, 이는 성인 조직에서 보이는 삼층 구조를 대표하지 않으며, 여기서 각 층은 서로 다른 엘라스틴과 콜라겐 섬유 조성으로 정의된다. 7세가 되면 모든 표본은 세포 밀도를 기준으로 3층 성대 구조를 보인다. 성대의 성숙은 13세 이전에 나타나지 않았으며, 여기서 각 층은 서로 다른 세포 집단보다는 서로 다른 섬유 조성으로 정의될 수 있었다.

3. 4. 2. 황반

황반(Maculae flavae)은 성대 막성 부분의 앞쪽과 뒤쪽 끝에 위치해 있다.[17] 사토와 히라노는 황반의 독특한 조직학적 구조가 성대의 성장, 발달 및 노화에 중요한 역할을 할 수 있다고 추측했다. 황반은 섬유아세포, 기질, 탄성 섬유 및 콜라겐 섬유로 구성된다. 섬유아세포는 많고 방추형 또는 성상형이었다. 섬유아세포는 활성 단계에 있는 것으로 관찰되었으며, 표면에 새로 방출된 무정형 물질이 존재했다. 히라노와 사토의 연구는 황반이 성대의 섬유 성분 합성에 책임이 있다고 시사했다. 섬유아세포는 대부분 성대 인대의 방향으로, 섬유 다발을 따라 정렬되어 있는 것으로 밝혀졌다. 이후 발성 중의 기계적 스트레스가 섬유아세포가 이러한 섬유를 합성하도록 자극한다는 것이 제시되었다.

3. 4. 3. 발성의 영향

신생아는 균일한 단일층 고유판을 가지고 있으며, 이는 성대 인대가 없는 느슨한 구조로 보인다.[4] 단층 고유판은 히알루론산, 피브로넥틴, 섬유아세포, 탄성 섬유 및 콜라겐 섬유와 같은 기질로 구성된다. 섬유 성분은 희소하여 고유판 구조를 느슨하게 만들지만, 히알루론산(HA) 함량은 높다.

HA는 성대 생체역학에 필수적인 점탄성과 충격 흡수 특성을 갖는다.[5] Chan, Gray 및 Titze는 HA가 있는 조직과 없는 조직의 특성을 비교하여 히알루론산이 성대의 점도와 탄성에 미치는 영향을 정량화했다.[6] 그 결과, 히알루론산을 제거하면 성대의 강성이 평균 35% 감소하지만 1Hz보다 높은 주파수에서 동적 점도는 평균 70% 증가하는 것으로 나타났다. 신생아는 생후 3개월 동안 하루 평균 6.7시간 울고, 400–600Hz의 지속적인 음높이와 하루 평균 2시간의 지속 시간을 보인다.[7] 성인 성대에 비슷한 처리를 하면 부종이 빠르게 발생하고, 이로 인해 발성 불능증이 발생한다. Schweinfurth 등은 신생아 성대의 높은 히알루론산 함량과 분포가 신생아의 울음 지구력과 직접적으로 관련이 있다는 가설을 제시했다.[7]

사토 외.[18]는 발성하지 않은 인간 성대의 조직병리학적 조사를 수행했다. 그 결과 성대 점막은 저형성이며, 흔적만 남아 있었고, 신생아처럼 성대 인대, 렝케 공간 또는 층상 구조가 없었다. 신생아처럼 고유층은 균일한 구조로 나타났다. 일부 별세포가 황반에 존재했지만, 퇴행의 징후를 보이기 시작했다. 별세포는 더 적은 세포외 기질 분자를 합성했고, 세포질 과정은 짧아지고 수축하는 것으로 나타나 활성 감소를 시사했다. 이러한 결과는 발성이 별세포가 더 많은 세포외 기질을 생성하도록 자극한다는 가설을 확인한다.

티츠 외.는 기계적 자극에 노출된 섬유아세포가 기계적 자극에 노출되지 않은 섬유아세포와 다른 수준의 세포외 기질을 생성한다는 것을 보여주었다.[19] 피브로넥틴, MMP1, 데코린, 피브로모듈린, 히알루론산 합성효소 2, CD44와 같은 세포외 기질 구성 요소의 유전자 발현 수준이 변경되었다. 이 모든 유전자는 세포외 기질 리모델링에 관여하므로, 조직에 가해지는 기계적 힘이 세포외 기질 관련 유전자의 발현 수준을 변경하여, 조직에 존재하는 세포가 세포외 기질 구성 요소 합성을 조절하고, 결국 조직의 구성, 구조 및 생체역학적 특성에 영향을 미치는 것으로 나타났다.

3. 4. 4. 호르몬의 영향

사춘기 동안 목소리 변화는 성 호르몬에 의해 조절된다. 여성의 경우 에스트로겐과 프로게스테론은 성대 점막에 영향을 주어 모세혈관 투과성을 증가시키고 샘 분비를 변화시킨다. 갑상선 호르몬 또한 성대의 기능에 영향을 미친다. 남성의 경우 테스토스테론은 후두 연골과 근육을 변화시켜 목소리를 굵게 만들고, 성대를 길고 둥글게 만들며, 상피를 두껍게 만든다. 이러한 변화는 재건 수술 없이는 되돌릴 수 없다.[8]

호르몬은 성대 성숙에 중요한 역할을 한다. 호르몬은 혈류를 통해 표적 기관에 전달되어 성장, 분화, 기능 등을 조절한다. 호르몬 수용체는 성대의 상피 세포, 과립 세포, 섬유 아세포 등에서 발견되며, 안드로겐, 에스트로겐, 프로게스테론 수용체가 존재한다.[21] 이 수용체들은 성별과 연령에 따라 다르게 분포하며, 성대 구조 변화에 영향을 줄 수 있다. 예를 들어, 안드로겐 및 프로게스테론 수용체는 남성에게 더 흔하며, 에스트로겐/안드로겐 비율은 폐경기 여성의 목소리 변화에 영향을 줄 수 있다.[23]

3. 5. 노년

사람이 나이가 들면서 고유층의 엘라스틴 함량이 꾸준히 증가하는데, 이는 엘라스틴 섬유의 가교 결합으로 인해 고유층의 팽창 능력을 감소시킨다.[10] 노년기에는 고유판의 표층이 얇아진다. 노화 과정에서 성대는 성별에 따라 뚜렷한 변화를 보인다. 여성의 경우 후두의 성대 덮개가 두꺼워지고, 고유판의 표층은 부종으로 인해 밀도가 감소한다. 남성의 경우 고유판의 중간층은 위축되는 경향이 있고, 고유판 깊은 층은 콜라겐 침착이 증가하여 두꺼워진다. 성대근은 남녀 모두 위축된다. 그러나 음성 장애를 겪는 노인 환자의 대부분은 노화 자체보다는 노화와 관련된 질병이 원인이다.[10][11][5][12][13]

4. 기능

성대는 기관 상단부의 후두 내에 위치하며, 발성을 하는 주요 기관이다. 성대는 뒤쪽으로는 피열 연골에, 앞쪽으로는 브로일 인대를 통해 갑상 연골에 부착되어 있다. 성문의 일부인 성대는 바깥쪽 가장자리가 후두의 근육에, 안쪽 가장자리가 성문 틈새라고 불리는 열린 공간을 형성한다. 성대는 상피로 구성되어 있지만, 몇 개의 근육 섬유, 특히 성대근이 있어 갑상 연골 근처의 인대 앞부분을 조여준다. 성대는 평평한 삼각 띠 모양이며 진주색을 띤다. 성문 양쪽 위에는 두 개의 전정 주름 (거짓 성대)이 있으며, 이들 사이에는 작은 낭이 있다.

4. 1. 진동

후두는 언어에서 소리의 주요 발생원이며, 성대의 리듬감 있는 열리고 닫힘을 통해 소리를 생성한다. 진동하기 위해 성대는 서로 가까이 위치하여 기압이 후두 아래에 축적된다. 이러한 증가된 성문하 압력에 의해 성대가 벌어지는데, 각 성대의 하단 부분이 상단 부분보다 먼저 움직인다. 이러한 파동과 같은 움직임은 기류에서 성대 조직으로 에너지를 전달한다.[28] 적절한 조건 하에서 조직으로 전달되는 에너지는 소산으로 인한 손실을 극복할 만큼 충분히 크며, 진동 패턴은 자체적으로 유지된다. 본질적으로, 소리는 일정하게 흐르는 공기를 작은 소리 파동으로 잘게 썰어서 후두에서 생성된다.[29]

움직이는 성대


사람의 목소리의 인지되는 음높이는 여러 요인에 의해 결정되며, 가장 중요한 것은 후두에서 생성되는 소리의 기본 주파수이다. 기본 주파수는 성대의 길이, 크기 및 장력에 의해 영향을 받는다. 이 주파수는 성인 남성의 경우 평균 약 125 Hz, 성인 여성의 경우 210 Hz, 어린이의 경우 300 Hz 이상이다. 깊이-키모그래피[30]는 성대의 복잡한 수평 및 수직 움직임을 시각화하는 영상 기법이다.

성대는 배음이 풍부한 소리를 생성한다. 배음은 성대가 서로 충돌하거나, 기류의 일부가 기관을 통해 재순환하거나, 또는 둘 다에 의해 생성된다.[31] 일부 가수는 이러한 배음 중 일부를 분리하여 동시에 여러 음높이로 노래하는 것처럼 보이게 할 수 있는데, 이를 오버톤 창법 또는 투바 후미와 같은 인두 발성이라고 한다.

5. 임상적 중요성

성대는 여러 질환에 취약하며, 치료 또한 다양하게 이루어진다. 성대 병변은 주로 주름 덮개 부분에서 발생하는데, 이는 발성 외상이나 습관적인 압박 발성으로 인해 기저막 단백질이 손상되기 때문이다. 이러한 손상은 결절이나 폴립으로 나타나며, 흡연은 후두암의 주요 원인 중 하나이다.[32]

라인케 부종은 성대 고유판에 체액이 축적되어 발생하는 질환으로, 성대 점막이 흐물거리고 발성 시 기본 주파수가 낮아지는 증상을 보인다.[32]

성대 손상은 만성적인 과사용, 외상, 흡연, 후두암, 수술 등 다양한 원인으로 발생할 수 있으며, 비정상적인 콜라겐 침착과 흉터 조직 형성을 유발한다.[35][36][37][38] 성대 흉터는 발성 노력 증가, 음성 피로, 호흡 곤란, 발성 장애 등의 문제를 일으키며, 초기 진단과 치료가 까다롭다.[35][41]

5. 1. 병변

성대 병변의 대부분은 주로 주름의 덮개 부분에서 발생한다. 기저막은 고정 섬유를 통해 상피를 고유판의 얕은 층에 고정하기 때문에 이곳은 손상이 흔히 발생하는 부위이다. 발성 외상이나 습관적인 과기능 발성, 즉 압박 발성을 겪는다면, 기저막의 단백질이 깎여나가 성대 손상을 일으킬 수 있으며, 이는 보통 결절이나 폴립으로 나타나 덮개의 질량과 두께를 증가시킨다. 편평 세포 상피는 흡연으로 인한 후두암의 빈번한 발생 부위이기도 하다.

5. 2. 라인케 부종

라인케 부종은 음성 병리학의 일종으로, 얕은 고유판(Reinke's space)에 비정상적인 체액이 축적되어 발생하는 부종이다. 이는 성대 점막이 흐물거리는 것처럼 보이게 하며, 헐렁한 양말처럼 보이는 과도한 덮개의 움직임을 유발한다.[32] 체액 증가로 인한 성대의 질량 증가는 발성 시 기본 주파수를 낮춘다.

5. 3. 상처 치유

상처 치유는 피부 및 표피 조직이 일련의 생화학적 사건들을 거쳐 자연적으로 재생되는 과정이다. 이러한 사건들은 복잡하며, 염증, 증식, 조직 재형성의 세 단계로 나눌 수 있다.[33] 사람의 성대는 이용 가능한 표본이 제한적이어서, 성대 상처 치유에 대한 연구는 동물 모델 연구만큼 광범위하게 이루어지지 않았다. 성대 손상은 만성적인 과사용, 화학적, 열적, 기계적 외상 등 다양한 원인으로 발생할 수 있으며, 흡연, 후두암, 수술 등이 그 예시이다. 성대 결절이나 부종과 같은 양성 병리학적 현상 또한 발성 장애를 유발할 수 있다.[34]

인간 성대의 손상은 비정상적인 콜라겐 침착과 흉터 조직 형성을 특징으로 하는 상처 치유 과정을 유발한다.[35][36][37][38] Verdolini[39]와 연구팀은 토끼 성대 손상 모델의 급성 조직 반응을 감지하고 설명하고자 했다. 연구팀은 급성 상처 치유와 관련된 두 가지 생화학적 지표인 인터루킨 1과 프로스타글란딘 E2의 발현을 정량화했다. 그 결과, 손상된 성대에서 채취한 염증 매개체의 분비가 정상적인 성대에 비해 유의하게 증가했다. 이는 상처 치유에서 IL-1과 PGE-2의 기능에 대한 이전 연구와 일치한다.[39][40] 성대의 염증 반응의 시간적 변화와 정도를 조사하면 성대 손상 후의 병리학적 사건을 밝힐 수 있으며,[40] 이는 임상의가 흉터 형성을 최소화하기 위한 치료 목표를 개발하는 데 도움이 된다. 성대 상처 치유의 증식 단계에서 히알루론산과 콜라겐의 생산 균형이 깨지면(히알루론산 수치가 정상보다 낮으면) 콜라겐 섬유화가 조절되지 않는다. 결과적으로 재생 유형의 상처 치유 대신 흉터가 형성된다.[35][38] 흉터는 성대 가장자리의 변형, 지질다당류 점도 및 강성의 파괴를 유발할 수 있다.[41] 성대 흉터 환자들은 발성 노력 증가, 음성 피로, 호흡 곤란, 발성 장애를 호소한다.[35] 성대 흉터는 초기 진단이 어렵고 성대의 기능적 필요성이 섬세하기 때문에 이비인후과 의사에게 가장 어려운 문제 중 하나이다.

6. 성대 관련 질환

성대에는 성대 폴립, 반회 신경 마비, 후두암, 성대 구증 등의 질환이 발생할 수 있다. 이러한 질환들은 목소리 변화, 호흡 곤란, 의사소통 장애 등을 유발할 수 있으며, 심한 경우 QOL 저하를 초래할 수 있다.[1]

6. 1. 성대 폴립

성대에 과도한 물리적 자극(계속 고함을 지르거나 노래를 부르는 등)으로 인해 성대 상피가 과도하게 증식하여 성대 폴립이 된다. 성대에 부하를 피함으로써 자연 치유될 수 있지만, 필요에 따라 외과적 절제술도 고려된다.[1]

6. 2. 반회 신경 마비

흉부·경부 수술(갑상선 종양 절제술, 식도 절제·재건술, 동맥관 결찰술 등)로 인해 반회 신경이 손상될 수 있다.[1] 반회 신경 손상으로 후두 운동에 장애가 생기는 것을 반회 신경 마비라고 한다.[1] 한쪽에만 손상이 오면 성대가 완전히 닫히지 않아 쉰 목소리(애성)가 나지만, 양쪽 모두 손상되면 성대가 중간 위치에 고정되어 후두의 기도가 충분히 열리지 않아 호흡 곤란이 생긴다.[1] 양측 반회 신경 마비의 경우, 기관 내 삽관이 필요하며, 마비 회복 가능성이 없으면 기관 절개를 해야 한다.[1]

6. 3. 후두암

성대를 포함한 후두 상피에 발생하는 악성 종양이다. 진행된 암의 경우 성대를 포함하여 후두를 절제해야 하는 경우가 있다(후두 전적출). 후두 전적출 후에는 기관 절개를 통해 호흡하게 되지만, 후두를 절제했기 때문에 발성이 불가능하다. 따라서 인공 후두, 식도 발성, 기관 식도루 발성 등으로 음성을 대체할 필요가 생긴다.[1]

6. 4. 성대구증

좌우 성대에 주름과 같은 홈이 생겨 성문 폐쇄 부전이라는 병태가 발생한다. 이로 인해 소리를 낼 때 숨이 새는 상태가 된다. 정상적인 경우에는 한 번 숨을 쉬면 15초 이상 발성이 가능하지만, 성대 구증이 있으면 몇 초밖에 지속되지 않는다. 따라서 쉰 목소리가 나거나 큰 소리를 내기 어렵고, 음성 언어 의사소통에 장애가 생긴다. 뿐만 아니라, "숨 참기"가 불가능하여 "힘이 들어가지 않고", 종종 흡인이 일어나 QOL이 저하된다. 젊은 층에서는 겉으로 보이는 문제가 없어, 개인의 객관적 평가에서 심각한 부정적 평가를 받아 사회생활에 큰 고민을 겪게 된다.[1]

7. 용어

성대는 흔히 '성대'라고 불리며, '성대 덮개' 또는 '성대 띠'라고도 불린다. '성대'라는 용어는 1741년 프랑스 해부학자 앙투안 페랭이 만들었다. 그는 사람의 목소리에 대한 바이올린 비유에서, 움직이는 공기가 cordes vocales|코르드 보칼프랑스어 위에서 활과 같은 역할을 한다고 가정했다.[42] 영어의 다른 철자는 'vocal chords'인데, 이는 음악적 함축이나 단어 '현'의 기하학적 정의와 혼동 때문일 수 있다. 두 철자 모두 역사적 선례가 있지만, 표준 미국 철자는 'cords'이다.[43] 옥스퍼드 영어 코퍼스(학술 저널 논문에서 편집되지 않은 글, 블로그 게시물에 이르기까지 모든 것을 포함하는 21세기 텍스트 데이터베이스)에 따르면 현대 작가들은 49%의 경우 표준이 아닌 'chords'를 'cords' 대신 선택한다.[44][45] 'cords' 철자는 영국과 호주에서도 표준이다.

음성학에서는, 더 정확하고 설명적이라는 이유로 '성대'가 '성대'보다 선호된다.[46][47][48]

8. 모델

성대의 운동은 발성을 비롯한 다양한 현상과 관련이 있어, 여러 성대 모델이 제안되었다. 성대 운동 모델은 크게 성대 표면(공기와의 접촉면)을 다루는 것과 내부 조직을 포함한 성대 전체를 다루는 것으로 나뉜다.

8. 1. 조직 모델

성대는 발성 등 다양한 현상과 관련이 있어, 여러 성대 모델이 제안되었다. 성대는 점막, 인대, 근육 등 다양한 이방성 조직으로 구성된 복잡한 기관이다. 성대를 물리적으로 이해하고 의학적으로 개입하는 데 유용한 조직 구조 모델이 다양하게 제안되었다.

8. 1. 1. Cover-Body 모델

Cover-Body 모델은 조직 탄성에 기반한 표층·심층 구조로 성대를 표현한다. 표층은 점막 등의 모델로 부드럽게 변동하며, 심층은 근육 등의 모델로 보다 단단한 조직으로 여겨진다.

8. 2. 운동 모델



성대 운동은 발성을 비롯한 다양한 현상과 관련이 있으며, 이에 따라 여러 성대 모델이 제안되었다. 성대 운동 모델은 크게 성대 표면(공기와 접촉하는 면)을 다루는 모델과 내부 조직을 포함한 성대 전체를 다루는 모델로 나뉜다.

8. 2. 1. 2질량 모델

'''2질량 모델'''(two-mass model|투매스 모델영어)은 목(인두)쪽/폐쪽으로 2분할된 성대 표면을 "스프링으로 결합된 2개의 질량-스프링-댐퍼 시스템"으로 표현한 모델이다.[49]

성대는 슬라이드하여 개폐되는 판처럼 행동하지 않고, 목쪽과 폐쪽이 서로 다른 위상을 가지면서 개폐되는 것으로 잘 알려져 있다. 2질량 모델은 이를 도입하여 성대 표면을 2분할하고, 각각을 질점으로 연결한 것이다.[50]

이 모델에서 질량 m_i 의 질점 i \in \{ 1, 2 \}는 다음 힘을 받는다.

2질량 모델에서 작용하는 힘
힘등가 소자F [N]
탄성력스프링- s_i x_i
저항력댐퍼- c_i \dot{x_i}
측방 탄성력스프링- s_3 (x_i - x_j)
음압외력Sp(t)



이 성대 모델을 성문 공기계의 모델과 조합하여 시뮬레이션한 결과, 2질량 모델은 성대의 자려 진동을 잘 설명하는 것으로 나타났다(c.f. 1질량 모델).

2질량 모델은 이시자카 & 마츠다이라에 의해 그 기초가 제창되었고,[51] 이시자카 & 플래내건에 의해 완성되었다.[52][53]

본 모델은 성대 표면을 질점-스프링-댐퍼 시스템으로 모방하여 성문 체적 유량과 수직인 움직임을 가정하고 있지만, Cover-Body-근 구조를 고려한 3차원 시뮬레이션에서는 오히려 평행 방향(전단 방향)의 운동이 주라는 지적도 있다.[54]

9. 추가 이미지

후두 및 기관 상부의 관상 단면


뒤에서 본 후두 입구


위에서 본 후두 근육

참조

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[54] 문서 声帯組織は圧縮性が小さく, その運動は剪断運動が支配的となるが, 単純なばね-質点系ではこの特質を表現できない ... ばねのような単純に伸び縮みする振動ではなく, 剪断運動が支配的であることも見てとれる。 山本和彦. 2009. GPU を用いた流体－構造体連成解析法の構築と その声門波生成過程のシミュレーションへの適用 http://www.yamo-n.or[...] 九州大学 2009


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