Morphological and functional implications of sexual dimorphism in the human skeletal thorax

Abstract

Objectives The human respiratory apparatus is characterized by sexual dimorphism, the cranial airways of males being larger (both absolutely and relatively) than those of females. These differences have been linked to sex-specific differences in body composition, bioenergetics, and respiratory function. However, whether morpho-functional variation in the thorax is also related to these features is less clear. We apply 3D geometric morphometrics to study these issues and their implications for respiratory function.

Material and methods Four hundred two landmarks and semilandmarks were measured in CT-reconstructions of rib cages from adult healthy subjects (Nmale = 18; Nfemale = 24) in maximal inspiration (MI) and maximal expiration (ME). After Procrustes registration, size and shape data were analyzed by mean comparisons and regression analysis. Respiratory function was quantified through functional size, which is defined as the difference of rib cage size between MI and ME.

Results Males showed significantly larger thorax size (p < .01) and functional size (p < .05) than females. In addition, the 3D-shape differed significantly between sexes (p < .01). Male rib cages were wider (particularly caudally) and shorter, with more horizontally oriented ribs when compared to females. While thorax widening and rib orientation were unrelated to allometry, thorax shortening showed a slight allometric signal.

Conclusions Our findings are in line with previous research on sexual dimorphism of the respiratory system. However, we add that thorax shortening observed previously in males is the only feature caused by allometry. The more horizontally oriented ribs and the wider thorax of males may indicate a greater diaphragmatic contribution to rib cage kinematics than in females, and differences in functional size fit with the need for greater oxygen intake in males.

Objetivos El aparato respiratorio humano se caracteriza por un dimorfismo sexual, siendo las vías respiratorias craneales de los machos más grandes (tanto absoluta como relativamente) que las de las hembras. Estas diferencias se han relacionado con diferencias específicas de cada sexo en la composición corporal, la bioenergética y la función respiratoria. Sin embargo, no está tan claro si la variación morfofuncional en el tórax también está relacionada con estas características. Aplicamos morfometría geométrica 3D para estudiar estas cuestiones y sus implicaciones para la función respiratoria.

Material y métodos Se midieron cuatrocientos dos puntos de referencia y semipuntos de referencia en reconstrucciones por TC de cajas torácicas de sujetos adultos sanos (Nmale = 18; Nfemale = 24) en inspiración máxima (IM) y espiración máxima (EM). Después del registro de Procrustes, los datos de tamaño y forma se analizaron mediante comparaciones de medias y análisis de regresión. La función respiratoria se cuantificó a través del tamaño funcional, que se define como la diferencia del tamaño de la caja torácica entre IM y EM.

Resultados Los machos mostraron un tamaño de tórax significativamente mayor (p <0.01) y un tamaño funcional (p <0.05) que las hembras. Además, la forma 3D difirió significativamente entre sexos (p < 0.01). Las cajas torácicas de los machos eran más anchas (particularmente caudalmente) y más cortas, con costillas más orientadas horizontalmente en comparación con las de las hembras. Mientras que el ensanchamiento del tórax y la orientación de las costillas no estaban relacionados con la alometría, el acortamiento del tórax mostró una ligera señal alométrica.

Conclusiones Nuestros hallazgos están en línea con investigaciones previas sobre el dimorfismo sexual del sistema respiratorio. Sin embargo, agregamos que el acortamiento del tórax observado previamente en los machos es la única característica causada por la alometría. Las costillas más orientadas horizontalmente y el tórax más ancho de los machos pueden indicar una mayor contribución diafragmática a la cinemática de la caja torácica que en las hembras, y las diferencias en el tamaño funcional encajan con la necesidad de una mayor ingesta de oxígeno en los machos.