現代醫學診斷主要以影像學為基礎，從早期放射學的奠基開始到今天的數字化、分子水平時代，醫學影像處理經歷了結構成像、功能成像直至分子成像等發展階段，形成了完整的學科理論體系。

傳統的結構成像手段（如CT、MRI）一直以來都為臨床疾病診斷與科學研究提供了豐富的信息，主要研究醫學影像分割、配準、三維可視化，包括對病變組織進行快速提取及準確分割，多模態圖像非剛性高精度配準與融合，海量、高解析度圖像的實時三維可視化等。功能成像手段（如功能核磁共振成像fMRI、正電子斷層成像PET、單光子發射斷層成像SPECT）進一步提供了生理病理代謝變化的功能信息，特別是為大腦功能研究提供了很好的研究條件和手段。以早發現、早診斷、早治療、個性化診治為目的分子影像，是近年來發展起來的新興熱點領域，各種手段如光學、核素、聲、磁等多種方法不斷出現，從科研到臨床都得到了迅速發展。

新世紀醫學模式從19世紀末、20 世紀初以細胞病理學為基礎的醫學模式，向以分子生物學、分子細胞學、分子藥理學以及現代計算機技術等為基礎的分子醫學模式轉變。隨著人類基因組測序的完成和后基因組時代的到來，從核酸—蛋白質、蛋白質—蛋白質分子間的相互作用關系分析疾病的發病機理、疾病早期的生物學特征，為疾病發生的早期檢測、預警、診斷和療效評估提供新的方法與手段，已經成為健康監測和生命科學研究的當務之急，發展無創可視化的成像技術也越來越受到科學界的關注和重視。多學科交叉、多種方法組合、從不同的角度針對同一生命過程進行多模式、多參數復合分子成像，將成為探索、解釋生命過程奧秘的有效新方法和新手段。

隨著生命科學和病理學的發展，如何從分子水平、細胞水平研究疾病發生發展機制并探討診斷和治療疾病的有效方法，已成為醫學診斷影像學、生物學和臨床醫學研究的熱點。作為無創可視化成像技術新的方法和手段，分子影像在本質上反映了分子調控的改變所引發的生物體生理分子水平和整體機能的變化。因此，在分子水平上在體研究基因、生物大分子和細胞的生命活動是21世紀生命科學的重要研究目標。作為一門新興前沿綜合交叉學科，分子影像學在理論、技術和系統方面都存在著尚未解決的關鍵科學技術問題。圍繞分子影像技術研究中的關鍵科學問題，融合集成多學科的知識，自動化所正在構建一套理論，即光在強散射性復雜生物組織中的輸運理論和反演算法；研發一個平臺，即分子影響數據分析與處理的統一計算框架與算法平臺；構建一個體系，即在體分子斷層影像的驗證評價體系；建立一個系統，即熒光標記和核素標記的斷層分子影像原型系統，并探討核素標記的分子影像在臨床醫學以及熒光標記的分子影像在小動物模型上的應用。

在應用系統方面，研制具有自主知識產權的多模態多光譜在體光學分子影像原型系統，包括自發熒光斷層成像(BLT)和誘發熒光斷層成像(FMT) ，可以對體內熒光光源進行精確的定位并能準確探測熒光強度，同時還可以完成生物組織光學特性的在體測量；重點解決非均勻介質生物組織體內的熒光光源重建問題；原型系統自發熒光斷層成像BLT部分，主要由熒光探測模塊、信號采集和預處理模塊以及計算機工作站組成。硬件系統的搭建主要包括各個模塊的設計、研制以及模塊間信號(包括圖像信號和控制信號)的輸入/輸出。FMT部分：采用波長在近紅外區域的熒光探針，通過紅外波段激光的激發(包括雙光子空間定域激發)，實現誘發熒光斷層成像，采用特殊的調制激光輸入信號和系統辨識檢測方法獲取被檢測系統的響應函數，提高系統的時間/空間分辨率，去除背景干擾，研究建立出相應的硬件系統。整體系統是要開發出性能良好，運轉順暢的光學分子影像原型系統，實現硬件與軟件的聯調，形成最終的設備。

分子影像學作為21世紀的醫學影像學將會擁有一個廣闊的應用前景，也將會促進相關學科的發展。把在體熒光標記分子影像的關鍵理論、技術和系統問題以及核素標記分子成像的深層次問題作為主要研究目標，形成我國在分子影像領域的科學研究平臺，同時也將對分子醫學影像設備的研制和國產化起到積極的推動作用。在研究過程中，所取得的關鍵高技術原始性發明和創新的自主知識產權，將成為我國在分子影像領域更大范圍和更深層次上參與全球化的重要資本，對于我國搶占該領域的科學制高點具有重要戰略意義。

在增值服務方面，目前國際上眾多國家均已把醫學診斷和治療作為現代服務業的重要內容。實現增值服務的前提是數字化、信息化。如美國所有醫療機構均實現了信息化管理。到2004年，約20%的醫院已完成了電子病歷系統（EMR）改造；醫學影像系統（PACS）、實驗室信息系統（LIS）、臨床路徑（CP）等新技術的大量應用已成為現代醫療服務質量提高的重要保障，建立以病人為中心的臨床信息系統如醫學影像信息系統（PACS），實驗室系統（LIS）等臨床信息系統以及遠程醫學影象會診系統和影象診斷中心為醫療增值服務提供了保證。

作為新一代診斷手段的分子影像技術將為腫瘤和其他疾病的發病機理、臨床診斷、病情監測和療效評估的研究提供有效的新方法和新手段；可以極大加快藥物的研發速度和縮短預臨床研究時間，也可應用于藥物的毒副作用、療效在體定量評估、給藥途徑、立體結構以及藥物劑量學和動物種類對藥物療效影響的研究；可以促進基礎生命科學的研究，開創在體動態連續研究基因功能、細胞動力學、生命發育全過程的新時代。將對我國在人口和健康領域國家目標的實現起到極其重要的推動作用。

隨著正電子放射層析成像技術PET、磁共振成像技術MRI、X射線層析成像技術CT、分子影像技術等影像醫學成像手段在臨床醫學上的成功應用，使得現代醫學得到了飛速發展。作為新一代醫學診斷的重要輔助手段的醫學影像圖像處理與分析，正方興未艾。應用三維斷層圖像處理與分析技術，醫務工作者可以充分利用影像設備產生的數據，多方位地觀察人體解剖結構的三維顯示、積極地參與計算機的操作，極大地提高診斷的方便性和準確率。不僅可以利用現有的醫學影像設備來極大地提高醫學臨床診斷水平，而且能為醫學培訓、醫學研究與教學、計算機輔助臨床外科手術等提供電子實現手段，為醫學的研究與發展提供堅實的基礎，更好的實現醫療的增值服務，具有很大的醫學應用價值。