体格检查

观察患者生长发育情况，检查神经系统有无异常体征。

实验室检查

• 全血细胞计数；
• 生化检测：在累及骨骼肌的患者查肌酸激酶，一般轻度升高。伴肾脏受累查尿常规，可以发现蛋白尿。伴糖尿病可以发现血糖升高。伴肝脏损害可以发现转氨酶升高；
• 血清乳酸和丙酮酸：线粒体脑肌病出现血清乳酸值升高也是重要诊断筛选指标；
• 甲状腺功能；
• 血清氨基酸类：检查丙氨酸是否升高；
• 血清酰基肉碱：游离肉碱水平低和酰基/游离肉碱比值升高提示脂肪酸氧化受损）。
• 尿有机酸定量或定性检查（检查三羧酸循环中间体、甲基丙二酸和二羧酸是否升高）。
• 采集脑脊液后应检测乳酸、丙酮酸、氨基酸类和5-甲基四氢叶酸。

影像学检查

超声心动图

明确心脏受累情况。

磁共振成像（MRI）

头MRI用于明确颅内病变情况；肌肉MRI有利于肌肉形态以及指导肌肉活检部位的选择，对伴随心脏损害的患者应进行心肌MRI。

• Kearns-Sayre（KSS）的头MRI多表现为脑萎缩，皮质下白质以及丘脑、基底节和脑干的长T2信号。
  
• 线粒体脑肌病伴高乳酸血症和卒中样发作（MELAS）的头MRI显示卒中样发作期在额、顶、枕叶的大脑皮质以及皮质下白质出现长T2信号，病灶可以动态变化，但其特点不按解剖血管分布，累及皮层和皮层下白质，可见皮层的层状异常信号；可有局部脑萎缩，可见双侧基底节钙化。
  
• 线粒体神经胃肠型脑肌病（MNGIE）的头MRI显示脑白质营养不良改变。
  

电生理检查

肌电图

以确定周围神经、神经元、神经肌肉接头及肌肉本身的功能状态。

线粒体病患者的神经传导检查结果可能正常，也可能符合肌病，表现以复合运动单元电位波幅降低为主。可能观察到轴突性多发性神经病。

脑电图

对脑病或癫痫发作患者，进行脑电图检查。

以皮层损害为主的MELAS、MERRF，不仅具有弥散全脑性脑电失律，亦可有局灶性改变，特别可见癫痫脑电图特有的棘慢波综合、尖波慢波综合。

心电图

部分线粒体脑肌病可累及心脏，建议常规心电图检查。

KSS心电图检查，可以发现各种类型的传导阻滞等异常改变。

眼科和听力检查

另外，根据患者临床表现，必要时可进行眼科检查和听力检查。

病理检查

肌肉活检是诊断线粒体病的重要工具。取出身体某些部位的肌肉（黄豆粒大小）进行显微镜或电镜下检查，可以诊断或鉴别诊断神经肌肉疾病。

线粒体病的典型肌肉病理特征，为Gomori三色染色显示肌膜下与肌纤维间有线粒体聚集。这是由于能量耗竭而出现线粒体代偿性增殖，线粒体在蓝色肌纤维背景中呈现为亮红色团块，术语“破碎红纤维（RRF）”便由此而来。

RRF百分比达何值时，才能诊断线粒体病，目前，还存争议。RRF比例会随年龄而增高，这使年龄较大成人中线粒体病的诊断更加复杂。

一些专家提议，30岁以下患者，若出现任何碎红纤维都应考虑到线粒体病的可能性，50岁以下成人中，碎红纤维>2%是主要诊断标准，而50岁以上成人中，碎红纤维>5%是主要诊断标准。

在琥珀酸脱氢酶（succinate dehydrogenase, SDH）反应的切片中，肌膜下线粒体增殖的肌纤维被称为“破碎蓝纤维”。此外，某些疾病（如MELAS）会显示出“SDH强反应性血管”（strongly SDH reactive blood vessels, SSVs），这表明血管周围的平滑肌和内皮细胞出现线粒体增殖。

分子生物学进展和基因检测方法

识别线粒体功能障碍的致病突变，是诊断的最终金标准。

对怀疑MELAS的患者，可以先筛查中国的热点突变，如mtDNA3243A>G、13513G>A及3271T>C等变异位点，或者进行mtDNA全长测序和（或）相关核基因检查。mtDNA变异率在不同组织，存在显著差异，尤其在成人中，肌肉组织、尿沉渣细胞和毛囊较外周血细胞，具有更高的阳性率。

MERRF由线粒体DNA突变引起。超过80%的MERRF患者中，编码tRNA（Lys）的线粒体MT-TK基因核苷酸8344位点发生了A-G突变。CPEO和KSS可能是散发性、母系遗传、常染色体显性遗传或常染色体隐性遗传，表明线粒体和核DNA缺陷，都可引起相同的表型。

当缺陷表现是线粒体DNA缺陷所致时，通常原因是大规模线粒体DNA重排，但也有点突变的罕见报道。MNGIE是一种核DNA疾病。大多数病例，由编码胸苷磷酸化酶的TYMP基因（也称ECGF1基因）突变导致，该突变会引起线粒体DNA继发性减少和/或多重缺失。