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1呼吸の基礎と呼吸不全　ここでは呼吸器系，すなわち肺の機能の補助または代行について解説する。肺は空気中の酸素を取り込んで，二酸化炭素を排出することが主要な機能である。　呼吸に関する補助，治療が呼吸療法であり，酸素療法，薬物療法，呼吸理学療法，肺に空気（＋酸素）を送り込む人工呼吸療法，さらに酸素を1気圧以上に加圧して血中酸素を増加させる高気圧酸素療法がある。これらの呼吸療法で，酸素と二酸化炭素が空気相と血液相との間で移動（ガス交換）する場をみると，生体肺の肺胞を利用している。肺胞でのガス交換を代行して，酸素を血中に取り込める装置には膜型人工肺（extracorporeal membrane oxygenation：ECMO）がある。重症例ではこれを用いることもある。膜型人工肺を用いる方法は体外循環回路を使用するので，これについては次項（体外循環装置）で詳述する。 A 呼吸器系の解剖と生理　呼吸器系の解剖と生理については第1編Ⅰ章「G．人体の構造および機能」で解説されているので，ここでは主に人工呼吸に関連する事項について記載する。　呼吸は無意識のうちに行われているが，実際には呼吸中枢の指令によって，睡眠中もほぼ規則的に行われている。すなわち成人の自発呼吸は，1分間におよそ15回，1回の空気の出入り（1回換気量）は400～500 mLである。　肺は自身では動くことができない。図1のように，肺は胸郭でつくられる空間である胸腔の中に納まっている。呼吸中枢の指令は横隔膜などの呼吸筋を収縮させ，胸郭が拡張しようとする。胸郭は閉鎖空間を形作っており，これが拡張しようとすると，胸郭の中の圧力である胸腔内圧（Ppl）が低下する。肺は胸腔の中にあるので，肺からみると外側の圧力が低下する。肺は気道を通して大気に繋がっているので，肺外側の圧力低下のため，内側圧力のほうが高くなり，肺の中への空気流入を伴いながら肺は拡張する。　呼気は呼吸筋の収縮が解除され，胸郭を外に引っ張る力がなくなり，胸郭・肺の弾性によって収縮し，肺内の空気は呼出される。図2aは自発呼吸が行われるときの各部の圧力変化を示す。なお，気道に陽圧をかける人工呼吸の場合は，模式的には図3のようになり，加圧してガスを送り込むことで肺が膨らむ。その結果，自発呼吸のときとは各部の圧力は異なり，図2bのようになる。 B ガス交換と呼吸不全 1 ガス交換　肺はガス交換の場であり，気道は気管～気管支で22回分岐し，末梢には約3億の肺胞が存在する（図4）。ガス交換を行う総面積はおよそ70～80 m2になる。このようにガス交換をする肺胞それぞれに空気が到達し，肺血流が流れている。そして酸素が血液に，二酸化炭素が肺胞に出てくる。これがガス交換であるが，呼吸生理学では図5のように単純化して，しばしば一つの肺胞ユニットとして考察される。　健常人が標準大気圧（1013 hPa）下で空気呼吸の場合，以下の肺胞気式により，PAO2＝（760－PH2O）×FIO2－PaCO2／0.8　（760は標準の大気圧［mmHg］，PH2Oは通常37℃飽和水蒸気圧，FIO2は吸入気酸素濃度0.8はガス交換率）　肺胞気酸素分圧PAO2は約100 mmHgである。そして動脈血酸素分圧PaO2は95～100 mmHgで第2編　専門科目第2編348生体機能代行装置学A．呼吸療法装置Ⅰ