Mit der Entwicklung der Zellbiologie, Molekularbiologie und anderer Fächer wurde die gezielte molekulare Sonde mit medizinischen Bildgebungstechnologien kombiniert, um eine neue wissenschaftliche Disziplin der molekularen Bildgebung zu starten, die eine Forschungsdisziplin ist, um biologische Prozesse auf zellulärer und molekularer Ebene zu visualisieren, zu charakterisieren und zu analysieren, für die Echtzeitverfolgung und Präzisionstherapie, auch als die medizinische Bildgebung des 21. Jahrhunderts bezeichnet. Eine Reihe von Bildgebungstechniken wurden entwickelt, um spezifische Ziele lebender Zellen oder Gewebe durch molekulare Sonden zu visualisieren, einschließlich optischer molekularer Bildgebung (OI), magnetischer Resonanzmolekularbildgebung, Ultraschall (US) molekularer Bildgebung, nuklearmedizinischer molekularer Bildgebung, Röntgenmolekularbildgebung und multimodaler molekularer Bildgebung. Diese Bildgebungstechniken ermöglichen die Früherkennung verschiedener Krankheiten durch die Visualisierung der Genexpression, der Interaktionen zwischen Proteinen, der Signaltransduktion, des Zellstoffwechsels, der Zellspuren und anderer physiologischer oder pathologischer Prozesse im lebenden System, die die Lücke zwischen Molekularbiologie und klinischer Medizin überbrücken. Dieses Kapitel wird den Schwerpunkt auf die Frühdiagnose tödlicher Krankheiten legen, wie bösartige Tumore, kardiovaskuläre oder zerebrovaskuläre Erkrankungen, Erkrankungen des Verdauungssystems, Erkrankungen des zentralen Nervensystems und andere Krankheiten. Dabei wird die molekulare Bildgebung in einer Echtzeit-visualisierten Weise verwendet.