游离胆红素(即未结合胆红素在血中未与白蛋白结合的部分)具有较强的亲脂性，可透过细胞膜，当它进入脑组织后，可产生胆红素的毒性作用而致胆红素脑病。胆红素的神经毒性作用是阻断脑细胞线粒体的氧利用，使线粒体氧化磷酸化的偶联作用解离，使脑细胞的"呼吸"和能量产生受到抑制，从而影响脑的正常功能。
在临床上通常以血清胆红素浓度来估计胆红素脑病的危险性，一般认为在血清总胆红素浓度高于342mmol／L(20mg／d1)时则有发生胆红素脑病的危险。但实际上，血清胆红素浓度并不能准确判断胆红素脑病的危险性，因为影响胆红素入脑的因素中，主要是血清游离胆红素的浓度，以及其他多种因素共同起作用。
由于目前临床上未能普遍检测血清游离胆红素浓度，还没有一个可行的指标能准确预测胆红素脑病的发生，而以血清总胆红素的水平预测胆红素脑病的危险性尚算简单可行。因此如能正确地测定血清胆红素浓度，仍可以其作为预测胆红素脑病危险性的指标之一，用以指导治疗。表1所列的血清总胆红素浓度通常被认为是可能发生胆红素脑病的警告水平。
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