本中心重点从化学及放射性药物化学、细胞及分子生物学、纳米技术与医学以及生物医学工程等四个方面，围绕以下主要研究方向在分子影像学与转化医学研究领域开展工作：
1）放射性药物与核医学成像：从事基于核医学成像技术的分子探针设计、制备与评价研究；从事单光子药物和正电子药物的临床转化研究，回旋加速器核素制备与标记化合物的自动化合成。
2）磁共振成像：从事磁共振分子影像研究，研发高温超导磁共振成像线圈、成像系列设计、图像处理及数据分析；从事基于19F、Gd和铁氧化物等磁共振成像探针的设计、制备以及小动物肿瘤成像研究。
3）光学成像：从事光学系统设计、光纤应用技术、光电仪器与系统、智能化传感器、信号检测及重建成像处理等研究；光学探针的构建与活体成像评价研究。
4）超声/光声成像：从事超声成像、光声成像、光学相干断层成像及图像处理分析研究；各种光学、光声造影剂的研发。
5）纳米医学：从事纳米生物材料的生物成像、药物传输和治疗研究；纳米材料的生物学效应与生物安全性评价研究；纳米医学转化研究；纳米微型检测系统研发。
6）分子生物学：基因转染、细胞培养、动物手术及肿瘤模型等相关理论知识和技术研究。
7）图像处理与分析：各影像技术的图像处理与分析；计算机软件编写、操作、应用。