分子影像学是医学影像技术和分子生物学、化学、物理学、放射医学、核医学以及计算机科学相结合的一门新的学科。实验室主要以光学分子影像技术为核心，融合多种分子成像模态以获取肿瘤等重大疾病在分子细胞水平的影像学信息，从而突破常规医学成像技术只能检测疾病在功能代谢和器官结构上异常的瓶颈，填补基因检测技术和常规医学成像技术之间难以进行活体疾病成像的信息技术空缺；在分子影像学科领域构建自主知识产权，打破国外的新一轮技术垄断；最终促进疾病早期诊断和精准治疗在我国的快速发展。
与核素等成像模态相比，其设备成本大大降低。通过体内特定分子为成像靶点与特殊成像探针结合，利用Optical和micro-CT等几种成像模态对小动物进行在体、无损、动态成像，在分子和细胞水平上检测小动物体内感兴趣区域的生理病理活动，从而定量地获取小动物体内的生物相关信息。
下图展示了光学、核素、CT、MRI四种成像模态分别运用了不同波长、不同能量的电磁波进行生物活体成像。每种模态成像优势不同，具有很好的互补性。四模态融合将有可能达到所有成像指标的最优化，甚至形成突破。
