「我這輩子的夢想是，當我哪天老了躺在醫院，我可以指著旁邊的儀器跟護理師講『這個就是我發明的！』」談及二十年多來在生醫光電的經歷，孫家偉眼神發亮地描繪出夢想藍圖。
目前任教於交通大學光電工程學系的孫家偉副教授並不囿於學術圈，而是致力將生醫光電研究成果延伸至關乎人們生老病死的醫療場域，將研究成果轉化爲高實用價值的儀器。
從電機到醫學
1996 年，就讀成功大學電機工程學系的孫家偉決定報考陽明大學醫學工程研究所。
回想大學學習的經驗，孫家偉發現自己樂於連結實際的電子學與偏理論的數學與物理，如偏向物理理論基礎的固態製程、或需運用較多數學的通訊領域。他原本認為，未來繼續就讀電機碩士班應能夠持續接觸有趣又深奧的理論，因為要到電機固態組需要學很多基礎物理，如半導體物理、光學等偏理論科目。但在升大四的暑假，參與清華大學半導體研習營的經歷大大影響了他往後的道路。
「其實我受到很大的衝擊」孫家偉說。研習營中教授了半導體的製程方法與技術，他問清大博士班學長是否有學到一些有趣的理論，像是量子力學等較深奧的研究領域。而清大博士班學長卻說「在這邊比較是像工人一樣按按鈕，嘗試一些不同的配方」，讓對朝向電機碩士班升學產生遲疑。
曾經以為未來會像科學家那樣天天看著理論中的方程式來解決問題的他，不顧同學力勸，如果他唸電機的碩士班，畢業後台灣大廠都有他的一席之地，孫家偉開始思索其他可能的方向，並相信著只要有能力，不論學什麼都能有好的發展。他發現，陽明醫工所的考試科目和電機系方向最類似，會考工程數學與電子學。最後，既然基礎知識都已建立，也自認讀得還不錯，他決定走向一條人煙罕至的路——陽明醫工所。
即使順利進入陽明醫工所，新領域所帶來的衝擊仍是不可避免的。「你太天真了！」一位相同背景的楊學長說。因為在電機等工程領域，講求豐富的創意並嘗試新事物；然而在生物醫學領域的實驗，一失手便摧毀一條生命，萬萬不得犯錯。兩者迥異的思維，讓方才進入生醫領域的孫家偉至今記憶猶新。
從碩士班開始，生醫光電、生醫光子學方向就一直是孫家偉的研究領域與專長。在生醫光電領域，最主要的工作是研發新的光電技術，並將技術應用在生物、醫學、甚至臨床醫學上。這個領域包山包海，從基礎的研究，如細胞動力學、分子生物學，到接近臨床的疾病診斷、醫療輔助系統都有。
其中，這些技術可以分成侵入式與分侵入式，而孫家偉主要方向是使用非侵入式的光學量測方法。其好處是能在不傷害生物的情形下對其進行實驗分析，並就讀取出的資訊討論意涵。相較於侵入式必然帶給人體傷害，光學方法即相當適合進行人體上的研究。如果需要做更高階的腦科學研究，例如情緒反應、量化大腦的專注力等，就必須用到靈長類或甚至人類進行實驗。
雞胸肉與老鼠
1999 年，孫家偉進入台灣大學光電工程研究所攻讀博士班。
身為實驗室第一個做生醫光電的博士生，由於實驗室過去沒有經驗與能力飼養動物，用雞胸肉來做生醫光電的實驗變成了當時僅存的選項。不過實驗並非從此一帆風順，雞胸肉不像一般的材料能放置好幾天，一但實驗數據測量不出來，晚上雞胸肉還會散發出一股腐爛的臭味，同學常抱怨「拜託把肉丟掉好不好」，他也只能聽話照辦；若是去買新的雞胸肉，又不可能找到完全相同的雞胸肉，實驗就得全部重做一遍。
話雖如此，他覺得整體而言還是挺有趣的。雞胸肉的實驗成為了他的第一篇文章，但好氣又好笑的過程讓他不滿足於此，於是訂定目標，未來能決定研究計畫的時候，可以將研究用在人類身上。
在陽明碩士班時對生物與醫學相關知識的積累，加上對不同領域保持著非常開放的態度替孫家偉開啟了許多合作的機會。在升博三的暑假，一位台大藥理學研究所的李同學讀了他的論文後，得知了利用光線分析組織特性的方法，進而詢問孫家偉是否有意合作，用新的光學方法來分析小老鼠在心臟疾病的發展過程中有什麼變化。起初，孫家偉的指導教授還對他相當嚴厲，懷疑他是否在浪費實驗室資源。但最終，這項研究是他的論文中少數一字不改就直接被接受的文章，而且三位審稿人都給予極正面的評價。他證明了透過保持開放的態度加上專業技術，就能建立成功的合作。
工程在醫學
談及光學方法用於生醫領域，孫家偉認為，現在醫學的進步一大部分正來自工程技術的進步。如獲得諾貝爾物理學獎的 X 光應用於電腦斷層掃描上，以及用於觀看人大腦組織與功能性的 MRI 核磁成像技術，其實只是基礎的物理現象。這些雖只是工程技術上的突破，但應用到醫學就帶來了新的貢獻：替醫師提供新的診斷方法。孫家偉也帶領修課學生去實地參訪醫院各科，讓學生親眼瞧一瞧醫院運用的諸多工程技術。
他相信，科學的關係具有非常高的連動性。近年來的類神經網路，就是從生物的角度發展工程，又回過頭去讓人工智慧輔助醫生診斷疾病。另一個例子是，腦科學中有一個分析方法包含了一些數學、拓墣學、經濟學理論的「腦連結體學」，科學家發現，大腦中細胞的關係就像社會科學中人與人形成群體的關係。這兩個例子都說明了，不同學科間的理論具有相當相似的數學模型。
數學模型的類似，讓孫家偉認為工程進入醫學是再也正常不過的事情。但過去的台灣學校教育常告訴我們，應該專注於自己學科的方向上，資工系畢業就該去寫程式、電機系畢業就該做半導體、醫學系畢業就該去當醫生。如此一來，就很難再產生新創產業。他認為，大家應該試圖去找出在不同領域間，還有什麼樣的互動能夠激起新的火花。
生醫的發展與困境
在醫學領域，台灣與日本的教育系統是一脈相承。曾經在日本筑波大學作為訪問學者的孫家偉提到台灣和日本的醫學院一樣是一次唸七年。相較於美國，許多醫生都是先擁有工程學位後，才往醫學領域發展。台灣與日本的好處是有志於當醫生的人能夠儘早為目標邁進，但缺點是學習的廣度不夠；在美國的教育制度下，醫生有較多的想法、認為一定要創新，做醫學工程的研究也更加普遍。
要使工程技術能夠進入醫學，就不能夠閉門造車。即便拼命說服自己的技術多麼獨道，到了實際的醫療場域，最終常落得無法取得共識的下場。以醫生的角度，醫生要的是究竟這項技術對自己的診斷有什麼幫助，如何造福病人；以工程學家的角度，工程學家會認為這事不關己，自己又不是醫生怎麼會懂，況且還是分享新技術給別人使用。兩者想法的落差，正是當工程要進入醫學時常無法突破的桎梏。
儘管許多人都說人工智慧（Artificial Intelligence，AI）很可能取代醫師的工作，孫家偉則認為這難度非常高。許多臨床醫師都非常清楚當今天 AI 替病人看病，AI 沒有辦法在病人的藥單上簽名。AI 只能提供診斷結果，無法負責任，所以醫院也不可能貿然以 AI 取代醫師職位。近年來，大量醫師開始學習 AI，就是因為他們知道 AI 無法取代他們，但他們可以運用 AI 的類神經網路來取代過去傳統的統計方法，得到更漂亮的資訊與結果。
雖然因深度學習的算法仰賴於樣本，較難過濾出特例，但大致上依然是個好方向。美國食品藥品監督管理局 （the Food and Drug Administration，FDA）在 2018 年通過了利用人工智慧經由電腦斷層影像判讀是否有中風的演算法後，臨床上醫生就可以購買此軟體來輔助判讀與分析。當一樣東西被 FDA 核准，就代表其可以合法用於醫療行為。當第一個中風判讀演算法過了後，現在人工智慧已變成醫學院非常熱門的題目。
進入醫療市場的高成本對發展生醫產業是一大挑戰。要讓一個儀器能夠用於醫療行為，除了說服醫師新儀器能帶來的改變以外，要通過 FDA 認證也需要數十億的資金。如 2016 年初中研院前院長翁啟惠的癌症藥物盲測失敗，幾十億台幣化為烏有。曾經有按摩椅廠商詢問孫家偉是否可能將按摩椅推進到臨床做心血管疾病治療，但後來得知若要通過 FDA，準備十億台幣是最低門檻，可觀的實驗經費使他們最後決定取消該計畫。
孫家偉認為，雖然台灣難以和歐美大廠直接競爭世界主導地位，但台灣有相當豐富的工程與醫學人才，在研發出技術後可授權國外大廠，並保有自己的研究團隊，從中獲利再回過頭來做更有價值的研究。
有價值的合作
細數過往了合作經驗，孫家偉相信要進到與人有關的研究，首要之事是尋找合作醫師，並嘗試說服醫師、讓醫師相信自己的研究有用，得到雙方共識。最一開始，需要主動出擊尋找合作契機，親自拜訪醫師，與醫師討論自己實驗室的技術可能的臨床應用。另一方面，主動讓自己的研究成果被人看見，也是開啟新合作關係的重要因素。
而在醫師方面，孫家偉提到，雖然早期醫師比較不易接受新技術，但幸運的是近期這個現象已經改變了。一方面是台灣有愈來愈多從歐美學成歸國的醫學生，帶來開放的風氣，另一方面是臨床醫師也開始被要求要做研究，有些甚至被要求發表論文、寫專利。臨床醫師平時為病人做診斷服務已是一大負擔，研究的時間非常稀少，為了能夠取得成果，他們開始樂意與研究單位合作。
目前在孫家偉的生醫光學影像實驗室的三位博士生是這種新風氣的最佳寫照。實驗室中除了傳統光電與電機背景的學生外，三位博士生原本都是臨床醫師，專長分別是小兒科、精神科和骨科。醫學背景的他們來到孫家偉的實驗室，希望能夠探索能應用在其治療或診斷的方法上的新的光學技術。
數年前，孫家偉在臺北科技大學的一次演講開啟了新的合作。當時一位聽講者恰好是萬芳醫院的醫師，聽了演講後發現孫家偉目前研究多是應用在生理的軟組織上，便好奇光學方法應用在硬組織上的可能性。孫家偉雖認為硬組織對光的消耗大，較難看出什麼端倪，但既然醫師有意嘗試，畢竟這類的文章在過去的論文中也很少見，就決定合作試一試。出乎意料的是，竟然實驗一開始就得到不錯的效果，其測量出來的骨質密度和 X 光所測量出來的非常接近。這次研究正說明了合作的機會並不是從天上掉下來，而是透過平時不停積累、主動讓自己的研究被人看見才能得到的。
但成果並非一蹴可幾。孫家偉舉例，從開始合作到有成果花費了超過六年的時間。當時的研究為希望用光學方法找出頭痛的因子，但一開始實驗並不順利，做不出成果，中途就暫停了。後來突然有了新點子後，才又說「要不要再來做做看」，經過多次嘗試後才開始得到好的成果。他認為，很多跨領域研究的失敗風險相當高，最開始的計畫和最終結果通常大相徑庭。要讓合作有結果，需要仰賴合作夥伴和自身的專業能力，以及長久積累的研究經驗加上運氣。
回顧二十餘年的工作，孫家偉從工程領域的基礎科學研究扎根，輔以生物醫學方面的認識，完成了許多重要的生醫跨領域合作，解決那些已不再如方程式般有標準答案的問題。如今，他致力於將生醫光電的研究成果推廣到醫療場域，他希望，未來老了臥病在床時，能夠指著身旁的儀器，向護理師說「這個就是我發明的！」