Ultrazvučno molekularno oslikavanje, sa svojim jedinstvenim principima oslikavanja, može precizno detektirati biomarkere-povezane s bolešću na staničnoj i molekularnoj razini. Na primjer, u dijagnozi tumora, može ciljati tumor-specifične antigene slikom, postižući osjetljivost detekcije znatno višu od tradicionalnog ultrazvuka, veću od 80%.
U dijagnozi kardiovaskularnih bolesti, ultrazvučno molekularno oslikavanje može jasno uočiti ranu endotelnu disfunkciju oslikavanjem specifičnih adhezijskih molekula na površini vaskularnih endotelnih stanica. Studije su pokazale da može otkriti potencijalne lezije 1-2 godine ranije od konvencionalnih metoda pregleda. U dijagnostici neuroloških bolesti, ultrazvučno molekularno oslikavanje koristi ultrazvučne kontrastne agense u nanorazmjerima za vizualizaciju područja neuroupale kroz krvno-moždanu barijeru, postižući stopu otkrivanja od približno 90% za male upalne lezije u mozgu. Za bolesti jetre, ultrazvučno molekularno oslikavanje, putem ciljanog oslikavanja markera aktivacije zvjezdastih stanica jetre, može točno odrediti stupanj fibroze jetre. Na temelju elastografije može precizno izmjeriti krutost jetrenog tkiva, pružajući važne dokaze za kliničko planiranje liječenja. U dijagnostici bubrežnih bolesti, molekularni ultrazvučni prikaz, kroz prikaz specifičnih transportnih proteina u epitelnim stanicama bubrežnih tubula, pomaže u ranom otkrivanju disfunkcije bubrežnih tubula. Studije su pokazale da njegova točnost u dijagnosticiranju rane ozljede bubrežnih tubula može doseći približno 75%.
U području autoimunih bolesti, molekularni ultrazvučni prikaz može prikazati mjesta taloženja imunoloških kompleksa. U kombinaciji s ultrazvučnom elastografijom, može kvantificirati promjene u krutosti oboljelog tkiva, pomažući u određivanju aktivne faze bolesti. U dijagnostici zaraznih bolesti, molekularno ultrazvučno oslikavanje može brzo identificirati tipove patogena putem ciljanog ultrazvučnog oslikavanja specifičnih antigena na površini patogena, s dijagnostičkom specifičnošću većom od 85%, pružajući snažnu potporu racionalnoj uporabi lijekova u kliničkoj praksi. U dijagnostici bolesti dišnog sustava, molekularni ultrazvučni prikaz, uz korištenje novih ultrazvučnih kontrastnih sredstava, može prikazati perfuziju malih krvnih žila u plućima, što je od značajne vrijednosti u dijagnostici ranih upala pluća, plućne embolije i drugih bolesti, sa stopom dijagnostičke točnosti od 70%-80%. Za mišićno-koštane bolesti, ultrazvučno molekularno oslikavanje može izvesti oslikavanje sitnih lezija unutar mekih tkiva na molekularnoj razini kao što su mišići, tetive i ligamenti. Na primjer, u ranoj dijagnozi tendinitisa, može otkriti mikrostrukturne promjene, što predstavlja osnovu za pravodobno liječenje.
U dijagnostici opstetričkih i ginekoloških bolesti, ultrazvučno molekularno oslikavanje može poboljšati točnost i specifičnost dijagnoza kao što su placenta accreta i adenomioza oslikavanjem specifičnih molekularnih markera u bolesnom tkivu. Dijagnostička točnost za placentu accreta može doseći približno 95%.