การถ่ายภาพโมเลกุลด้วยอัลตราซาวนด์ ด้วยหลักการการถ่ายภาพที่เป็นเอกลักษณ์ สามารถตรวจจับ-ตัวบ่งชี้ทางชีวภาพที่เกี่ยวข้องกับโรคในระดับเซลล์และโมเลกุลได้อย่างแม่นยำ ตัวอย่างเช่น ในการวินิจฉัยเนื้องอก มันสามารถกำหนดเป้าหมาย-แอนติเจนที่จำเพาะของเนื้องอกด้วยการถ่ายภาพ ทำให้มีความไวในการตรวจจับสูงกว่าอัลตราซาวนด์แบบเดิมอย่างมีนัยสำคัญ ซึ่งเกิน 80%
ในการวินิจฉัยโรคหลอดเลือดหัวใจ การถ่ายภาพโมเลกุลด้วยอัลตราซาวนด์สามารถสังเกตความผิดปกติของเยื่อบุผนังหลอดเลือดในระยะเริ่มต้นได้อย่างชัดเจน โดยการถ่ายภาพโมเลกุลของการยึดเกาะจำเพาะบนพื้นผิวของเซลล์บุผนังหลอดเลือดในหลอดเลือด การศึกษาพบว่าสามารถตรวจพบรอยโรคที่อาจเกิดขึ้นได้เร็วกว่าวิธีการตรวจทั่วไปถึง 1-2 ปี ในการวินิจฉัยโรคทางระบบประสาท การถ่ายภาพโมเลกุลด้วยอัลตราซาวนด์ใช้สารคอนทราสต์อัลตราซาวนด์ระดับนาโนเพื่อแสดงภาพบริเวณที่มีการอักเสบของระบบประสาทผ่านอุปสรรคในเลือดและสมอง ทำให้มีอัตราการตรวจพบประมาณ 90% สำหรับรอยโรคอักเสบขนาดเล็กในสมอง สำหรับโรคตับ การถ่ายภาพโมเลกุลด้วยอัลตราซาวนด์สามารถระบุระดับการเกิดพังผืดในตับผ่านการถ่ายภาพเป้าหมายของเครื่องหมายกระตุ้นการทำงานของเซลล์สเตเลทในตับ ด้วยการใช้อีลาสโตกราฟี ทำให้สามารถวัดความแข็งของเนื้อเยื่อตับได้อย่างแม่นยำ ซึ่งเป็นหลักฐานสำคัญสำหรับการวางแผนการรักษาทางคลินิก ในการวินิจฉัยโรคไต การถ่ายภาพอัลตราซาวนด์ระดับโมเลกุลผ่านการถ่ายภาพโปรตีนขนส่งจำเพาะในเซลล์เยื่อบุผิวท่อไต ช่วยในการตรวจพบความผิดปกติของท่อไตในระยะเริ่มต้น การศึกษาพบว่าความแม่นยำในการวินิจฉัยการบาดเจ็บของท่อไตในระยะเริ่มต้นสามารถสูงถึงประมาณ 75%
ในด้านโรคภูมิต้านตนเอง การถ่ายภาพด้วยอัลตราซาวนด์ระดับโมเลกุลสามารถแสดงภาพบริเวณที่มีการสะสมของภูมิคุ้มกันที่ซับซ้อนได้ เมื่อใช้ร่วมกับอัลตราซาวนด์อิลาสโตกราฟี จะสามารถวัดการเปลี่ยนแปลงในความแข็งของเนื้อเยื่อที่เป็นโรคได้ ซึ่งช่วยในการกำหนดระยะที่ดำเนินของโรค ในการวินิจฉัยโรคติดเชื้อ การถ่ายภาพอัลตราซาวนด์ระดับโมเลกุลสามารถระบุชนิดของเชื้อโรคได้อย่างรวดเร็วผ่านการถ่ายภาพอัลตราซาวนด์แบบกำหนดเป้าหมายของแอนติเจนที่จำเพาะบนพื้นผิวของเชื้อโรค โดยมีความจำเพาะในการวินิจฉัยเกิน 85% ซึ่งให้การสนับสนุนอย่างมากสำหรับการใช้ยาอย่างสมเหตุสมผลในการปฏิบัติงานทางคลินิก ในการวินิจฉัยโรคระบบทางเดินหายใจ การถ่ายภาพด้วยอัลตราซาวนด์ระดับโมเลกุลโดยใช้สารทึบรังสีอัลตราซาวนด์แบบใหม่ สามารถถ่ายภาพการไหลเวียนของหลอดเลือดขนาดเล็กในปอด ซึ่งมีคุณค่าอย่างมากในการวินิจฉัยอาการอักเสบของปอดในระยะเริ่มแรก โรคหลอดเลือดอุดตันที่ปอด และโรคอื่นๆ โดยมีอัตราความแม่นยำในการวินิจฉัยที่ 70%-80% สำหรับโรคทางระบบกล้ามเนื้อและกระดูก การถ่ายภาพโมเลกุลด้วยอัลตราซาวนด์สามารถทำการถ่ายภาพระดับโมเลกุลของรอยโรคขนาดเล็กภายในเนื้อเยื่ออ่อน เช่น กล้ามเนื้อ เส้นเอ็น และเอ็นได้ ตัวอย่างเช่น ในการวินิจฉัยโรคเอ็นอักเสบตั้งแต่เนิ่นๆ สามารถตรวจพบการเปลี่ยนแปลงทางโครงสร้างจุลภาค ซึ่งเป็นพื้นฐานสำหรับการรักษาอย่างทันท่วงที
ในการวินิจฉัยโรคทางสูติศาสตร์และนรีเวช การถ่ายภาพโมเลกุลด้วยอัลตราซาวนด์สามารถปรับปรุงความแม่นยำและความจำเพาะของการวินิจฉัย เช่น การมีรกสะสมในครรภ์และอะดีโนไมซิส โดยการถ่ายภาพเครื่องหมายโมเลกุลเฉพาะในเนื้อเยื่อที่เป็นโรค ความแม่นยำในการวินิจฉัยภาวะรกลอกตัวสามารถสูงถึงประมาณ 95%