Fondamenti di bioingegneria della voce: dalla produzione vocale all’identificazione di patologie neurologiche

The thesis addresses the study of the voice from a bioengineering perspective, analysing the process of voice production and the possible use of the vocal signal as a source of information in the biomedical field. After describing the main anatomical and physiological aspects of phonation, the thesis considers the biomechanical models that describe the behaviour of the vocal folds and the interaction between vibrating tissues and aerodynamic flow. The voice is then treated as a biomedical signal, with reference to the main acoustic parameters used to characterise it, such as fundamental frequency, intensity, spectrum, jitter, shimmer, and other parameters related to voice quality. These measures make it possible to quantitatively describe alterations in voice production that may occur in different pathological conditions. Particular attention is devoted to the study of neurodegenerative diseases, such as Parkinson’s disease, in which alterations of voice and speech may represent indicators of motor and neuromuscular impairments. The aim of the thesis is to show how acoustic voice analysis, integrated with physiological and biomechanical knowledge of phonation, may constitute a non-invasive tool to support the identification and monitoring of neurological disorders.

L’elaborato affronta lo studio della voce da una prospettiva bioingegneristica, analizzando il processo di produzione vocale e il possibile impiego del segnale vocale come fonte di informazioni in ambito biomedico. Dopo una descrizione dei principali aspetti anatomici e fisiologici della fonazione, vengono considerati i modelli biomeccanici che descrivono il comportamento delle pliche vocali e l’interazione tra tessuti vibranti e flusso aerodinamico. La voce viene successivamente trattata come segnale biomedico, con riferimento alle principali grandezze acustiche utilizzate per caratterizzarla, come frequenza fondamentale, intensità, spettro, jitter, shimmer e altri parametri legati alla qualità vocale. Tali misure consentono di descrivere in modo quantitativo alterazioni della produzione vocale che possono manifestarsi in diverse condizioni patologiche. Particolare attenzione è rivolta allo studio delle patologie neurodegenerative, come la malattia di Parkinson, nella quale le modificazioni della voce e del parlato possono rappresentare indicatori di alterazioni motorie e neuromuscolari. L’obiettivo dell’elaborato è mostrare come l’analisi acustica della voce, integrata con le conoscenze fisiologiche e biomeccaniche della fonazione, possa costituire uno strumento non invasivo di supporto all’identificazione e al monitoraggio di patologie neurologiche.