任何生物都必须呼吸，只是呼吸的方式和结构不同而已。人体气体交换是非常复杂的方式，外界空气中氧不能直接进入细胞，是通过肺交换进入血液，由血液运送至全身的组织和细胞，再把它们的代谢产物之一——二氧化碳运输至肺部排出。氧气进入人体和二氧化碳排出体外都是按照气体扩散规律进行的。
人体血液循环模式如图5-3所示。图中体循环的路线是：左心室一主动脉一各级动脉一身体各部分的毛细血管网→各级静脉→上、下腔静脉→右心房。动脉将富含养料和氧气的血液送到身体各器官的毛细血管网，与组织细胞进行物质交换，将运来的养料和氧气供细胞利用，同时把细胞产生的二氧化碳等废物运走，血液由含氧丰富的动脉血变成含氧少的静脉血。
图5-3 人体血液循环模式
理解吸入后氢气在体内的运行路线，需要回忆一些循环生理学基础知识。简单地说，血液循环有大循环和小循环两个子系统。大循环也称为体循环，是左心系统，来自肺静脉的含氧动脉血进入左心房过渡，经过左心室泵入主动脉，经过小动脉分流到全身器官，在全身器官进行气体交换，氧气扩散进入组织细胞内，组织细胞内二氧化碳扩散到血液中，然后经过毛细血管汇集成小静脉，最后汇入上下腔静脉回流到右心房。小循环也称为肺循环，是右心系统，来自全身的含丰富二氧化碳的静脉血进入右心房过渡，经过右心室泵入肺动脉，扩散到肺组织进行气体交换，通过二氧化碳释放和氧气摄取，血液变成动脉血，血液经过毛细血管汇集到肺小静脉，最后汇入肺静脉回流到左心房。
当人体吸入氢气或其他气体时，气体进入体内的过程完全类似于氧气进入体内的过程。不同的是氧气在血液中运输可依靠血红蛋白的协助，溶解度可增加许多倍，而氢气没有血红蛋白这样的运输分子协助，所以进入体内的效率远远不如氧气。
人体吸入氢气时，外界氢气浓度高，体内氢气浓度低，氢气吸入后血液和组织内氢气浓度会逐渐增加，需要一定时间才能达到平衡浓度。根据潜水医学理论计算，大约30分钟后人体血液中氢气浓度可以达到最高饱和浓度(见图5-4)，大脑则需要60分钟才能达到这样的浓度。30分钟后血液氢气浓度已经达到峰值，即使继续吸入氢气，其浓度也不会继续增加，但是血液内氢气会不断向其他组织扩散，同时氢气不断通过肺组织进行气体交换溶解，这种饱和是一个动态平衡过程。持续吸入氢气到一定时间(6~24小时)，全身各个组织都能达到稳定的饱和浓度。
图5-4 氢气吸入后，血液内氢气浓度随时间的增长规律
停止吸入氢气后，体内氢气浓度呈指数递减，速度下降，变化规律类似吸入的逆过程。血液内氢气通过肺释放到体外，由于组织器官溶解的氢气按浓度梯度进入血液，血液内溶解的氢气完全消失需要经过比饱和过程更长的时间。
小动物体积越小呼吸循环效率越高，气体吸收或释放的速度都明显快于人体，与人体的循环效率相差很大。研究表明，大鼠吸入2%氢气，动脉血和心肌氢气浓度2分钟后开始上升，约5分钟达到峰值。小野教授等研究人体吸入氢气后动脉血和静脉血液中氢气浓度的变化，发现人吸入3%~4%氢气时动脉血和静脉血氢气浓度迅速升高，20分钟可达到峰值，吸入氢气的浓度越高，血液中氢气浓度也越高。吸入4%浓度氢气时，动脉血中氢气浓度可达24微摩尔/升，停止氢气吸入后氢气浓度迅速下降，经过约6分钟和18分钟后，动脉血和静脉血的氢气浓度可分别降至最高浓度的10%，与我们分析30分钟血液浓度达到饱和的结论基本符合。
