现代医学诊断主要以影像学为基础，从早期放射学的奠基开始到今天的数字化、分子水平时代，医学影像处理经历了结构成像、功能成像直至分子成像等发展阶段，形成了完整的学科理论体系。

传统的结构成像手段（如CT、MRI）一直以来都为临床疾病诊断与科学研究提供了丰富的信息，主要研究医学影像分割、配准、三维可视化，包括对病变组织进行快速提取及准确分割，多模态图像非刚性高精度配准与融合，海量、高解析度图像的实时三维可视化等。功能成像手段（如功能核磁共振成像fMRI、正电子断层成像PET、单光子发射断层成像SPECT）进一步提供了生理病理代谢变化的功能信息，特别是为大脑功能研究提供了很好的研究条件和手段。以早发现、早诊断、早治疗、个性化诊治为目的分子影像，是近年来发展起来的新兴热点领域，各种手段如光学、核素、声、磁等多种方法不断出现，从科研到临床都得到了迅速发展。

新世纪医学模式从19世纪末、20 世纪初以细胞病理学为基础的医学模式，向以分子生物学、分子细胞学、分子药理学以及现代计算机技术等为基础的分子医学模式转变。随着人类基因组测序的完成和后基因组时代的到来，从核酸—蛋白质、蛋白质—蛋白质分子间的相互作用关系分析疾病的发病机理、疾病早期的生物学特征，为疾病发生的早期检测、预警、诊断和疗效评估提供新的方法与手段，已经成为健康监测和生命科学研究的当务之急，发展无创可视化的成像技术也越来越受到科学界的关注和重视。多学科交叉、多种方法组合、从不同的角度针对同一生命过程进行多模式、多参数复合分子成像，将成为探索、解释生命过程奥秘的有效新方法和新手段。

随着生命科学和病理学的发展，如何从分子水平、细胞水平研究疾病发生发展机制并探讨诊断和治疗疾病的有效方法，已成为医学诊断影像学、生物学和临床医学研究的热点。作为无创可视化成像技术新的方法和手段，分子影像在本质上反映了分子调控的改变所引发的生物体生理分子水平和整体机能的变化。因此，在分子水平上在体研究基因、生物大分子和细胞的生命活动是21世纪生命科学的重要研究目标。作为一门新兴前沿综合交叉学科，分子影像学在理论、技术和系统方面都存在着尚未解决的关键科学技术问题。围绕分子影像技术研究中的关键科学问题，融合集成多学科的知识，自动化所正在构建一套理论，即光在强散射性复杂生物组织中的输运理论和反演算法；研发一个平台，即分子影响数据分析与处理的统一计算框架与算法平台；构建一个体系，即在体分子断层影像的验证评价体系；建立一个系统，即荧光标记和核素标记的断层分子影像原型系统，并探讨核素标记的分子影像在临床医学以及荧光标记的分子影像在小动物模型上的应用。

在应用系统方面，研制具有自主知识产权的多模态多光谱在体光学分子影像原型系统，包括自发荧光断层成像(BLT)和诱发荧光断层成像(FMT) ，可以对体内荧光光源进行精确的定位并能准确探测荧光强度，同时还可以完成生物组织光学特性的在体测量；重点解决非均匀介质生物组织体内的荧光光源重建问题；原型系统自发荧光断层成像BLT部分，主要由荧光探测模块、信号采集和预处理模块以及计算机工作站组成。硬件系统的搭建主要包括各个模块的设计、研制以及模块间信号(包括图像信号和控制信号)的输入/输出。FMT部分：采用波长在近红外区域的荧光探针，通过红外波段激光的激发(包括双光子空间定域激发)，实现诱发荧光断层成像，采用特殊的调制激光输入信号和系统辨识检测方法获取被检测系统的响应函数，提高系统的时间/空间分辨率，去除背景干扰，研究建立出相应的硬件系统。整体系统是要开发出性能良好，运转顺畅的光学分子影像原型系统，实现硬件与软件的联调，形成最终的设备。

分子影像学作为21世纪的医学影像学将会拥有一个广阔的应用前景，也将会促进相关学科的发展。把在体荧光标记分子影像的关键理论、技术和系统问题以及核素标记分子成像的深层次问题作为主要研究目标，形成我国在分子影像领域的科学研究平台，同时也将对分子医学影像设备的研制和国产化起到积极的推动作用。在研究过程中，所取得的关键高技术原始性发明和创新的自主知识产权，将成为我国在分子影像领域更大范围和更深层次上参与全球化的重要资本，对于我国抢占该领域的科学制高点具有重要战略意义。

在增值服务方面，目前国际上众多国家均已把医学诊断和治疗作为现代服务业的重要内容。实现增值服务的前提是数字化、信息化。如美国所有医疗机构均实现了信息化管理。到2004年，约20%的医院已完成了电子病历系统（EMR）改造；医学影像系统（PACS）、实验室信息系统（LIS）、临床路径（CP）等新技术的大量应用已成为现代医疗服务质量提高的重要保障，建立以病人为中心的临床信息系统如医学影像信息系统（PACS），实验室系统（LIS）等临床信息系统以及远程医学影象会诊系统和影象诊断中心为医疗增值服务提供了保证。

作为新一代诊断手段的分子影像技术将为肿瘤和其他疾病的发病机理、临床诊断、病情监测和疗效评估的研究提供有效的新方法和新手段；可以极大加快药物的研发速度和缩短预临床研究时间，也可应用于药物的毒副作用、疗效在体定量评估、给药途径、立体结构以及药物剂量学和动物种类对药物疗效影响的研究；可以促进基础生命科学的研究，开创在体动态连续研究基因功能、细胞动力学、生命发育全过程的新时代。将对我国在人口和健康领域国家目标的实现起到极其重要的推动作用。

随着正电子放射层析成像技术PET、磁共振成像技术MRI、X射线层析成像技术CT、分子影像技术等影像医学成像手段在临床医学上的成功应用，使得现代医学得到了飞速发展。作为新一代医学诊断的重要辅助手段的医学影像图像处理与分析，正方兴未艾。应用三维断层图像处理与分析技术，医务工作者可以充分利用影像设备产生的数据，多方位地观察人体解剖结构的三维显示、积极地参与计算机的操作，极大地提高诊断的方便性和准确率。不仅可以利用现有的医学影像设备来极大地提高医学临床诊断水平，而且能为医学培训、医学研究与教学、计算机辅助临床外科手术等提供电子实现手段，为医学的研究与发展提供坚实的基础，更好的实现医疗的增值服务，具有很大的医学应用价值。