ガス交換の場は、肺胞上皮、共通する基底膜、毛細血管内皮からなる肺胞毛細血管膜です。I型肺胞上皮細胞が広い面積を覆い、薄い拡散距離を作ります。[2][3]

肺胞内では酸素分圧が静脈血より高いため、酸素は血液側へ拡散します。二酸化炭素は静脈血側で分圧が高く、肺胞側へ拡散します。拡散のしやすさは面積、膜の厚さ、分圧差、気体の性質に影響されます。[1][3]

血液に入った酸素の大部分は赤血球のヘモグロビンと結合して組織へ運ばれます。そのため貧血でヘモグロビンが少ないと、SpO2が保たれていても運べる酸素の総量は減ります。二酸化炭素は主に重炭酸イオンの形で運ばれ、肺で再び二酸化炭素となって排出されます。[3]

肺胞に空気が届いても血流がなければガス交換に使われず、逆に血流があっても肺胞が換気されなければ酸素化できません。この釣り合いを換気血流比といい、肺炎、COPD、肺塞栓症などでずれが起こります。[4]

喘息やCOPDで気道が狭くなると肺胞換気が不均一になります。肺炎で肺胞が液体で埋まり、間質性肺疾患で境界が厚くなるとガス交換が妨げられます。肺塞栓症では血栓より先の血流が減ります。

パルスオキシメーターはヘモグロビンの酸素飽和度を推定しますが、二酸化炭素の値、貧血、血流、呼吸仕事量は直接分かりません。冷え、体動、マニキュア、測定器の精度で誤差も生じます。数値だけでなく、息苦しさ、呼吸数、会話、意識を合わせて判断します。