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鉴别诊断应排除Graves病、结节性甲肿伴甲亢、遗传性和获得性甲状腺结合球蛋白增多症、垂体瘤TSH分泌异常综合征、克汀病或某些Pendred综合征等。其他还必须证明没有T4向T3转化障碍，因为一些非甲状腺疾病病态综合征患者的T4向T3转换减少，使血清TT4或者FT4升高，但T3是低下的，一些药物也会产生这种情况。也有报道家族性遗传性血清白蛋白和T4结合升高，导致T4升高但T3正常。罕见的还有内源性产生血清T4或T3抗体，干扰T4或T3测定，引起T4或T3假性升高。
1.甲亢 一般甲亢时T3、T4、FT3、FT4、rT3均有升高，而TSH常降低，而甲状腺激素不应症患者的TSH值多明显升高。
2.垂体性甲亢 垂体瘤性甲亢是垂体瘤分泌TSH增多并伴有临床甲亢表现。分泌TSH增多的垂体性甲亢，其TSH可不受T3及T4的反馈性抑制，也不受TRH兴奋作用的调节，多为自主性调节与分泌，故脑CT扫描及MRI蝶鞍检查均可发现垂体瘤或微腺瘤，而一般甲亢属自身免疫性疾病，可以鉴别诊断。
3.遗传性或获得性甲状腺结合蛋白增多症 甲状腺结合蛋白有甲状腺结合球蛋白(TBG)、甲状腺结合前白蛋白(TBPA)及白蛋白，其中以TBC结合最多，TBG水平升高，多有T3、T4升高，而FT3、FT4值正常。
4.甲状腺肿-耳聋综合征(pendred syndrome) 本病具有三大特征即家族性甲状腺肿、先天性神经性耳聋及高氯酸盐释放试验阳性，属常染色体隐性遗传性疾病，主要缺陷是甲状腺中过氧化酶缺乏和减少，造成甲状腺激素合成不足，发生代偿性甲状腺肿，甲状腺功能可为正常，其吸131Ⅰ试验可有中度亢进表现，与甲状腺激素不应症有区别，可以鉴别诊断。
5.克汀病(呆小病) 与地方性甲状腺肿和缺碘有关，地方性甲状腺肿发病越多、病情越重，呆小病发病也越多，属常见病。由于防治措施得力，目前发病率大为减少。呆小病是由于妊娠期中胎儿胚胎期和出生后碘缺乏与甲状腺功能低下所造成的胎儿及婴幼儿大脑中枢系统发育分化障碍与呆小病，这与甲状腺激素不应症较少见，无流行等可以鉴别诊断。
甲状腺激素不应症与其他疾病的鉴别诊断主要靠分子生物学技术，从分子生物学水平上证实甲状腺激素受体、受体后及其基因结构异常与缺陷，证实它是一种典型的受体病为最重要。
如果用分子生物学方法证明甲状腺激素受体基因有突变或甲状腺激素受体亲和力下降，则更有利于本病的诊断。分子生物学方法发现甲状腺激素受体突变有利产前诊断和家庭咨询，尤其是对家庭中有生长和(或)智力障碍成员的咨询。