罹患癌症，就像人生被卡车辗过一样糟糕，但你知道开刀房里，和你一起拚命的医师怎么决定手术范围吗？治疗的目的是把恶性肿瘤切干净，但癌细胞不会自己标明是坏东西，那该如何验明正身呢？通常和医师的经验判断有关，癌化组织，严重者会有明显色泽、形状差异，质感软烂或者偏硬，有时在边界会有一圈硬结（Induration），但介于正常跟显著异常中间的组织，医师就难由肉眼判断。因此医学上会有一些准则，比如口腔癌，切除范围会由病灶边缘，再往外延伸 1.5 至 2 公分当作安全距离（Safety margin）。
当然还有更科学的方法，手术时，医师会取边缘组织当场送化验，以确定余下细胞为良性，这称为冷冻切片（Frozen specimen）法，亦即将检体直接送至实验室，历经急速冷冻、切片、染色、在玻片上固定组织，然后由病理科医师判读细胞型态，此法具可信度但耗时。
若是状况稳定的病人，多等一点时间也许无妨，但如果是脑部手术，医师把头盖骨都掀开了，空等化验时间，无疑增加更多的风险。因此就有科学家思考，能不能把显微镜搬到手术室里呢？
华盛顿大学（the University of Washington）机械工程系，和斯隆-凯特琳癌症纪念中心（Memorial Sloan Kettering Cancer Center）、史丹佛大学（Stanford University）医学院、巴罗神经学研究所（Barrow Neurological Institute）合作，共同研发出一款镜头不到 1.2 公分、笔型大小的双轴共轭焦显微镜（dual-axis confocal microscopy）。
传统的显微镜价格昂贵，而且体积大，至少占一只吹风机或小型牙科 X 光机的大小，但若为了让显微镜轻量化，又常会牺牲图像品质及性能，像是分辨率、视野、深度、敏感性、影像对比度或处理速度，尤其当仪器对患处的穿透力不足，那切片组织结构就无法精准成像，因此影响诊断。
像“显微版”的电脑断层
“共轭焦显微镜技术”的物镜焦点与聚焦透镜焦点位置相互对称，也就是照明点与探测点在光学成像上为“共轭”，兩镜焦点会同时落在样本表面，因而得名。一般来说，当光聚焦于样本上，那聚焦点的断层面，称为聚焦面 ( focus plane )，聚焦点外的称为非聚焦面（Out-of focus plane），而共轭焦显微镜利用空间濾波器來降低噪声的强度，排除影像迷光（Stray light），得到更好的光学分辨率。
▲“共轭焦显微镜技术”的物镜焦点与聚焦透镜焦点位置相互对称，也就是照明点与探测点在光学成像上为“共轭”，兩镜焦点会同时落在样本表面，因而得名。图下方是试片，也就是照明点，右边是光侦测器，也就是探测点，下方的透镜是物镜，右边的透镜是聚焦透镜，两者互相对称。（Source：国家卫生研究院）
借由此技术，可以取得在样本表面上特定深度的反射光讯号强度，因此操作者可指定样本的上及下点的位置，设定光学切片的厚度（optical sectioning），得到组织的横断面图像，并且能做连续性扫描，重组为立体影像，供各种角度的旋转或切面观察，就像是“显微版”的电脑断层。而它还能和其他技术结合，像是免疫萤光法、原位杂交技术，就能够观察到亚细胞水平上像是钠钾离子通道、酸碱值、膜电位等生理信号和靶分子（蛋白或基因等）的结构，因此成为近代最重要的生物医学影像发展之一。
最早共轭焦显微镜为单轴系统，直至近年开发出“双轴系统”，若以比喻来说，就像你在浓雾中开车，即便使用远光灯，视线还是不清楚，但如果从不同角度去照，就能减低眩光的程度。同样道理，双轴结构就是借由多个散射光具焦同一点，而减少多余的背景干扰。
除此之外，当显微镜要变身为手持装置，最需要克服的就是成像速度以及手震。共轭焦显微镜技术最开始是采二维的点状扫描（point-scanned dual-axis confocal microscope），它能观看到更深的组织深度，但缺点就是成像速度慢，一幅图像就需约一秒钟，而且容易因为震动而产生移动假影（motion artifacts），因此，后来发展出线状扫描（line-scanned dual-axis confocal microscope），这能加快画面更新率（或称“影格率”，frame rate），每秒钟播放的静态画面数可达 16 祯，甚至更快，就能降低因手震而造成的影像模糊。
而以华盛顿大学机械工程系为首的研究团队，另发展出一种模式，借由成对可旋转的排列镜子，将双轴共轭焦显微镜的光束列队整齐，并结合一种特制的物镜（在显微镜前端，第一个接收到被观测物体光线的透镜或面镜），因此可以让显微镜达到 2.0 微米（microns）的光学切层，和 1.1 微米的横向分辨率（水平方向上区分两个相邻质体最小距离的能力，lateral resolution）。
▲由华盛顿大学机械工程所开发的双轴共轭焦显微镜。（Source：osa publishing）
操作时，这个新式手持显微镜能将影像放大，让不透光组织呈像更清晰，并迅速就细胞和亚细胞层级（cellular and subcellular level）做图像扫描，比如说比头发还要细小 50 倍的影像，或者血球细胞的动态即时摄影。
▲新式手持显微镜能将影像放大，让不透光组织呈像更清晰，并迅速就细胞和亚细胞层级做图像扫描。（Source：osa publishing）
但对于临床医师而言，笔型显微镜最重要的功能，是能够捕捉到组织表面下半毫米（millimeter）的影像，这个深度十分重要，因为相对于组织而言，对应的是基底层（basement membrane），若基底层受到侵犯，就要合理怀疑组织有癌化现象，那么在医疗或手术现场，就能辨别正常跟恶性组织。
为了证明装置具备获取萤光图像的能力，研究团队对小老鼠的耳朵、肾脏、结肠作测试，将组织以 1% 亚甲基蓝（Methylene blue）染色来标记细胞核，并和常用于鉴别细胞核和细胞质的苏木紫──伊红染色（Hemotoxylin-eosin，H&E）病理切片做图像比对，发现两者皆能将同样的细胞特征呈现出来，意即笔型显微镜所看到的细胞结构，就跟实验室里的大型装置一样，并没有太大的差异性。
▲研究团队对小老鼠作测试，发现以笔型显微镜所看到的细胞结构，就跟实验室里的大型装置一样，并没有太大的差异性。（Source：osa publishing）
笔型显微镜制程问题大
可惜，笔型显微镜仍有许多待突破的困难点，首先制程就是大问题，这么精密的仪器是采微机电系统（Microelectromechanical Systems，MEMS），一种类似半导体的制程技术。根据华盛顿大学机械工程系助理教授强纳森刘（Jonathan Liu）表示：
“装置所有的零件细节，都必须特制，而且只能在实验室里手动组装，这意味着其精密程度为微米（micrometer）等级，比一毫米（mm）还要微小至千分之一，因此光是组装就耗时3年半。”
此外，在实验室里，科学家能自由调整电线、光纤和螺钉的松紧程度来因应成像需求，但如果在医院由外科医生或肿瘤学家操控，那仪器设计必须更安全、更稳定、而且要能达到无菌或适合消毒的标准。
另一个现实考量在于，现今医师的养成训练朝专科化发展，因此外科医师并不熟悉判读，而病理科专家不会手术，即便有即时组织影像，第一线医师恐怕还需要特训一番，或交由病理科医师诊断。
但笔型显微镜对于临床的影响，仍是不可抹灭的，它帮助医师决定手术切除范围，更强化基层及偏乡的第一线癌症检测。以台湾来说，健保提供民众做四癌筛检，单以口腔癌部分，无论是牙医或耳鼻喉科医生，一旦发现患者黏膜异常，都必须仰赖切片手术来确诊，但这属于侵入性处置，造成病人伤口疼痛，而且检体（specimen）量大也会增加病理科的负担。
姑且不论这装置现今可能的机会与限制，我们试着“跳出框框思考”，将成像、软硬件结合，会不会刚好就是未来医疗的雏型呢？以在医疗人工智能领域执牛耳地位的 IBM 来说，它们研究室开发的 Avicenna 软件，利用了深度学习来协助放射科医师做电脑断层影像的诊断；早先 IBM 更与斯隆-凯特琳癌症纪念中心合作，将图像识别技术和机器学习系统应用于皮肤癌临床外观的鉴别，且诊断准确率高达 75-84%。
▲IBM 以华生（Watson）超级电脑来对病灶进行分析，协助放射科医师做电脑断层影像的诊断。（Source：MIT Technology Review）
因此，人工智能若确实具备可信度，那么未来笔型显微镜只要能和远端电脑连线，便能产出即时的病理诊断，这带给我们的想像是，携带式装置能大为取代医疗机构的检查功能，而未来，人类需要走进医院接受诊治的机会愈来愈少，也更趋向个人化的精准医疗（Precision Medicine）。
- When Should Surgeons Stop Cutting Brain Tumors? New Pen-Like Microscope Can Tell
（首图来源：华盛顿大学）
