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傳統成像大多依賴于肉眼可見的身體、生理和代謝過程在疾病狀態下的變化，而不是了解疾病的特異性分子事件；分子成像則是利用特異性分子探針追蹤靶目標并成像。這種從非特異性成像到特異性成像的變化，為疾病生物學、疾病早期檢測、定性、評估和治療帶來了重大的影響。
分子成像技術使活體動物體內成像成為可能，它的出現，歸功于分子生物學和細胞生物學的發展、轉基因動物模型的使用、新的成像藥物的運用、高特異性的探針、小動物成像設備的發展等諸多因素。分子成像技術可用于——研究觀測特異性細胞、基因和分子的表達或互作過程，同時檢測多種分子事件，追蹤靶細胞，藥物和基因治療優化，從分子和細胞水平對藥物療效進行成像，從分子病理水平評估疾病發展過程，對同一個動物或病人進行時間、環境、發展和治療影響跟蹤。