Τεχνητή Νοημοσύνη στην Επεξεργασία Εικόνων Μικροσκοπίου

Η τεχνητή νοημοσύνη φέρνει επανάσταση στην επεξεργασία εικόνων μικροσκοπίου με ισχυρές δυνατότητες όπως ακριβής τμηματοποίηση, μείωση θορύβου, υπερ-ανάλυση και αυτοματοποιημένη απόκτηση εικόνων. Αυτό το άρθρο αναδεικνύει βασικά εργαλεία τεχνητής νοημοσύνης και αναδυόμενες τάσεις στην επιστημονική έρευνα.

Οι τεχνικές τεχνητής νοημοσύνης φέρνουν επανάσταση στη μικροσκοπία βελτιστοποιώντας την απόκτηση εικόνων και αυτοματοποιώντας την ανάλυση. Στα σύγχρονα έξυπνα μικροσκόπια, τα μοντέλα τεχνητής νοημοσύνης μπορούν να ρυθμίζουν παραμέτρους απεικόνισης σε πραγματικό χρόνο (π.χ., εστίαση, φωτισμός) για να ελαχιστοποιούν το φωτοθάμπωμα και να ενισχύουν το σήμα. Παράλληλα, οι αλγόριθμοι βαθιάς μάθησης μπορούν να επεξεργάζονται πολύπλοκα δεδομένα εικόνας για να εξάγουν κρυφές βιολογικές πληροφορίες και ακόμη να συνδέουν εικόνες με άλλα δεδομένα (π.χ., γονιδιωματικά).

Κύριο συμπέρασμα: Η τεχνητή νοημοσύνη δίνει τη δυνατότητα στους ερευνητές να βλέπουν περισσότερα στη μικροσκοπία επιταχύνοντας τις ροές εργασίας, βελτιώνοντας την ακρίβεια και αποκαλύπτοντας λεπτά μοτίβα αόρατα στο ανθρώπινο μάτι.

Μέθοδοι Τεχνητής Νοημοσύνης: Μηχανική Μάθηση vs Βαθιά Μάθηση

Οι μέθοδοι τεχνητής νοημοσύνης κυμαίνονται από την κλασική μηχανική μάθηση (ML) έως τη σύγχρονη βαθιά μάθηση (DL). Κάθε προσέγγιση έχει ξεχωριστά πλεονεκτήματα και περιορισμούς:

Παραδοσιακή Μηχανική Μάθηση

Χειροποίητα Χαρακτηριστικά

  • Οι ερευνητές δημιουργούν χειροκίνητα χαρακτηριστικά εικόνας (άκρα, υφές, σχήματα)
  • Τα χαρακτηριστικά τροφοδοτούνται σε ταξινομητές (δέντρα αποφάσεων, SVM)
  • Γρήγορη εκπαίδευση
  • Δυσκολεύεται με πολύπλοκες ή θορυβώδεις εικόνες
Βαθιά Μάθηση

Αυτόματη Εκμάθηση Χαρακτηριστικών

  • Πολυεπίπεδα νευρωνικά δίκτυα (CNNs) μαθαίνουν χαρακτηριστικά αυτόματα
  • Εκμάθηση από ακατέργαστα pixels από άκρο σε άκρο
  • Πολύ πιο ανθεκτική σε παραλλαγές
  • Ανιχνεύει με ακρίβεια πολύπλοκες υφές και δομές

Πώς λειτουργούν τα CNNs: Τα συνελικτικά νευρωνικά δίκτυα εφαρμόζουν διαδοχικά φίλτρα σε εικόνες μικροσκοπίου, μαθαίνοντας να ανιχνεύουν απλά μοτίβα (άκρα) στα πρώτα στρώματα και σύνθετες δομές (σχήματα κυττάρων, υφές) στα βαθύτερα στρώματα. Αυτή η ιεραρχική μάθηση καθιστά τη βαθιά μάθηση εξαιρετικά ανθεκτική ακόμη και όταν τα προφίλ έντασης ποικίλλουν σημαντικά.

Οπτική Σύγκριση: Ροές Εργασίας ML vs DL

Ροή Εργασίας Παραδοσιακής Μηχανικής Μάθησης
Ροή εργασίας παραδοσιακής μηχανικής μάθησης: χειροποίητα χαρακτηριστικά από φθορίζουσες εικόνες μικροσκοπίου επεξεργασμένα από ταξινομητές
CNN Βαθιάς Μάθησης για Μικροσκοπία
Η βαθιά μάθηση χρησιμοποιεί συνελικτικά νευρωνικά δίκτυα (CNNs) για την ανάλυση εικόνων μικροσκοπίου

Βασικές Εφαρμογές Τεχνητής Νοημοσύνης στη Μικροσκοπία

Η τεχνητή νοημοσύνη είναι πλέον ενσωματωμένη σε πολλές εργασίες επεξεργασίας εικόνας κατά τη ροή εργασίας μικροσκοπίας:

Τμηματοποίηση

Διαίρεση εικόνων σε περιοχές (π.χ., αναγνώριση κάθε κυττάρου ή πυρήνα). Τα βαθιά δίκτυα όπως το U-Net διαπρέπουν σε αυτή την εργασία.

  • Σημασιολογική τμηματοποίηση: Ετικέτες κατηγορίας ανά pixel
  • Τμηματοποίηση αντικειμένων: Διαχωρισμός μεμονωμένων αντικειμένων
  • Υψηλή ακρίβεια σε πυκνές ή σκοτεινές εικόνες
  • Μοντέλα θεμελιώδους όρασης (π.χ., μSAM) πλέον προσαρμοσμένα για μικροσκοπία

Ταξινόμηση Αντικειμένων

Μετά την τμηματοποίηση, η τεχνητή νοημοσύνη ταξινομεί κάθε αντικείμενο με υψηλή ακρίβεια.

  • Αναγνώριση τύπου κυττάρου
  • Καθορισμός σταδίου μίτωσης
  • Ανίχνευση δεικτών παθολογίας
  • Διακρίνει λεπτές φαινοτυπικές διαφορές δύσκολες στην χειροκίνητη ποσοτικοποίηση

Παρακολούθηση

Στη μικροσκοπία χρονικής καθυστέρησης, η τεχνητή νοημοσύνη παρακολουθεί κύτταρα ή σωματίδια ανάμεσα σε καρέ με πρωτοφανή ακρίβεια.

  • Η βαθιά μάθηση βελτιώνει δραματικά την ακρίβεια παρακολούθησης
  • Επιτρέπει αξιόπιστη ανάλυση κινούμενων κυττάρων
  • Καταγράφει δυναμικές βιολογικές διεργασίες

Αποθορυβοποίηση & Υπερ-Ανάλυση

Τα μοντέλα τεχνητής νοημοσύνης βελτιώνουν την ποιότητα εικόνας αφαιρώντας θόρυβο και θάμπωμα.

  • Φυσικά ενημερωμένα βαθιά μοντέλα μαθαίνουν την οπτική του μικροσκοπίου
  • Ανακατασκευάζουν πιο καθαρές, χωρίς σφάλματα εικόνες
  • Υψηλότερη ανάλυση με λιγότερα σφάλματα σε σχέση με παραδοσιακές μεθόδους

Αυτοματοποιημένη Απόκτηση

Η τεχνητή νοημοσύνη καθοδηγεί το ίδιο το μικροσκόπιο σε πραγματικό χρόνο.

  • Αναλύει ζωντανές εικόνες για να λαμβάνει έξυπνες αποφάσεις
  • Ρυθμίζει αυτόματα την εστίαση και σκανάρει περιοχές ενδιαφέροντος
  • Μειώνει τη φωτοτοξικότητα και εξοικονομεί χρόνο
  • Επιτρέπει πειράματα υψηλής απόδοσης και προσαρμοστικής απεικόνισης
Πλεονέκτημα απόδοσης: Με επαρκή δεδομένα εκπαίδευσης, τα CNNs και συναφή μοντέλα υπερέχουν σταθερά των κλασικών μεθόδων. Για παράδειγμα, η βαθιά μάθηση μπορεί να τμηματοποιεί κύτταρα σε θορυβώδες φόντο πολύ πιο αξιόπιστα από χειροκίνητα ρυθμισμένους αλγορίθμους.
Βασικές Εφαρμογές Τεχνητής Νοημοσύνης στη Μικροσκοπία
Επισκόπηση εφαρμογών τεχνητής νοημοσύνης σε όλη τη ροή εργασίας μικροσκοπίας: από την απόκτηση έως την ανάλυση

Δημοφιλή Εργαλεία Τεχνητής Νοημοσύνης στην Επεξεργασία Εικόνων Μικροσκοπίου

A rich ecosystem of tools supports AI in microscopy. Researchers have built both general-purpose and specialized software, many open-source:

Icon

Cellpose

Developer Carsen Stringer and Marius Pachitariu (MouseLand research group)
Supported Platforms
  • Windows desktop
  • macOS desktop
  • Linux desktop

Requires Python (pip/conda installation). GUI available on desktop only.

Language Support English documentation; globally adopted in research labs worldwide
Pricing Model Free and open-source under BSD-3-Clause license

Overview

Cellpose is an advanced, deep-learning–based segmentation tool designed for microscopy images. As a generalist algorithm, it accurately segments diverse cell types (nuclei, cytoplasm, etc.) across different imaging modalities without requiring model retraining. With human-in-the-loop capabilities, researchers can refine results, adapt the model to their data, and apply the system to both 2D and 3D imaging workflows.

Key Features

Generalist Pre-trained Models

Works out of the box for a wide variety of cell types, stains, and imaging modalities without custom training.

2D & 3D Segmentation

Supports full 3D stacks using a "2.5D" approach that reuses 2D models for volumetric data.

Human-in-the-Loop Training

Manually correct segmentation results and retrain the model on your custom data for improved accuracy.

Multiple Interfaces

Access via Python API, command-line interface, or graphical user interface for flexible workflows.

Image Restoration (Cellpose 3)

Denoising, deblurring, and upsampling capabilities to enhance image quality before segmentation.

Download or Access

Technical Background

Cellpose was introduced in a seminal study by Stringer, Wang, Michaelos, and Pachitariu, trained on a large and highly varied dataset containing over 70,000 segmented objects. This diversity enables the model to generalize across cell shapes, sizes, and microscopy settings, significantly reducing the need for custom training in most use cases. For 3D data, Cellpose cleverly reuses its 2D model in a "2.5D" fashion, avoiding the need for fully 3D-annotated training data while still delivering volumetric segmentation. Cellpose 2.0 introduced human-in-the-loop retraining, allowing users to manually correct predictions and retrain on their own images for improved performance on specific datasets.

Installation & Setup

1
Create Python Environment

Set up a Python environment using conda:

Conda Command
conda create -n cellpose python=3.10
2
Install Cellpose

Activate the environment and install Cellpose:

Installation Options
# For GUI support
pip install cellpose[gui]

# For minimal setup (API/CLI only)
pip install cellpose

Getting Started

GUI Mode
  1. Launch the GUI by running: python -m cellpose
  2. Drag and drop image files (.tif, .png, etc.) into the interface
  3. Select model type (e.g., "cyto" for cytoplasm or "nuclei" for nuclei)
  4. Set estimated cell diameter or let Cellpose auto-calibrate
  5. Click to start segmentation and view results
Python API Mode
Python Example
from cellpose import models

# Load model
model = models.Cellpose(model_type='cyto')

# Segment images
masks, flows = model.eval(images, diameter=30)
Refine & Retrain
  1. After generating masks, correct segmentation in the GUI by merging or deleting masks manually
  2. Use built-in training functions to retrain on corrected examples
  3. Improved model performance on your specific dataset
Process 3D Data
  1. Load a multi-Z TIFF or volumetric stack
  2. Use the --Zstack flag in GUI or API to process as 3D
  3. Optionally refine 3D flows via smoothing or specialized parameters for better segmentation

Limitations & Considerations

Hardware Requirements: For large images or 3D datasets, at least 8 GB of RAM is recommended; high-resolution or 3D data may require 16–32 GB. A GPU is highly recommended for faster inference and training, though CPU-only operation is possible with reduced performance.
  • Model Generality Trade-off: While the generalist model works broadly, highly unusual cell shapes or imaging conditions may require retraining.
  • Annotation Effort: Human-in-the-loop training requires manual corrections, which can be time-consuming for large datasets.
  • Installation Complexity: GUI installation may require command-line use, conda environments, and managing Python dependencies — not always straightforward for non-programmers.
  • Desktop Only: Cellpose is designed for desktop use; no native Android or iOS applications available.

Frequently Asked Questions

Do I need to annotate my own data to use Cellpose?

No — Cellpose provides pre-trained, generalist models that often work well without retraining. However, for optimal results on special or unusual data, you can annotate and retrain using the human-in-the-loop features.

Can Cellpose handle 3D microscopy images?

Yes — it supports 3D by reusing its 2D model (so-called "2.5D"), and you can run volumetric stacks through the GUI or API.

Does Cellpose require a GPU?

A GPU is highly recommended for faster inference and training, especially on large or 3D datasets, but Cellpose can run on CPU-only machines with slower performance.

How do I adjust Cellpose for different cell sizes?

In the GUI, set the estimated cell diameter manually or let Cellpose automatically calibrate it. You can refine results and retrain if segmentation is not optimal.

Can I restore or clean up noisy microscopy images before segmentation?

Yes — newer versions (Cellpose 3) include image restoration models for denoising, deblurring, and upsampling to improve segmentation quality before processing.

Icon

StarDist

Developer Uwe Schmidt, Martin Weigert, Coleman Broaddus, and Gene Myers
Supported Platforms
  • Windows desktop
  • macOS desktop
  • Linux desktop (via Python)
  • ImageJ/Fiji plugin
  • QuPath extension
  • napari plugin
Language Support Open-source project with documentation and community primarily in English
Pricing Model Free and open source. Licensed under BSD-3-Clause

Overview

StarDist is a deep-learning tool for instance segmentation in microscopy images. It represents each object (such as cell nuclei) as a star-convex polygon in 2D or polyhedron in 3D, enabling accurate detection and separation of densely packed or overlapping objects. With its robust architecture, StarDist is widely used for automated cell and nucleus segmentation in fluorescence microscopy, histopathology, and other bioimage analysis applications.

Key Features

Star-Convex Shape Representation

Highly accurate instance segmentation using star-convex polygons (2D) and polyhedra (3D) for reliable object detection.

2D & 3D Support

Dedicated models for both 2D images and 3D volumetric data for comprehensive microscopy analysis.

Pre-Trained Models

Ready-to-use models for fluorescence nuclei, H&E-stained histology, and other common imaging scenarios.

Multi-Class Prediction

Classify detected objects into distinct classes (e.g., different cell types) in a single segmentation run.

Plugin Integration

Seamless integration with ImageJ/Fiji, QuPath, and napari for accessible GUI-based workflows.

Built-In Metrics

Comprehensive instance segmentation evaluation including precision, recall, F1 score, and panoptic quality.

Technical Background

Originally introduced in a MICCAI 2018 paper, StarDist's core innovation is the prediction of radial distances along fixed rays combined with object probability for each pixel, enabling accurate reconstruction of star-convex shapes. This approach reliably segments closely touching objects that are difficult to separate using traditional pixel-based or bounding-box methods.

Recent developments have expanded StarDist to histopathology images, enabling not only nucleus segmentation but also multi-class classification of detected objects. The method achieved top performance in challenges such as the CoNIC (Colon Nuclei Identification and Counting) challenge.

Download or Access

Installation & Setup

1
Install Dependencies

Install TensorFlow (version 1.x or 2.x) as a prerequisite for StarDist.

2
Install Core Package

Use pip to install the StarDist Python package:

Installation Command
pip install stardist
3
Install GUI Plugins (Optional)

For napari:

napari Plugin Installation
pip install stardist-napari

For QuPath: Install the StarDist extension by dragging the .jar file into QuPath.

For ImageJ/Fiji: Use the built-in plugin manager or manual installation via the plugins menu.

Running Segmentation

Python API

Load a pre-trained model, normalize your image, and run prediction:

Python Example
from stardist.models import StarDist2D
model = StarDist2D.from_pretrained('2D_versatile_fluo')
labels, details = model.predict_instances(image)
napari Plugin

Open your image in napari, select the StarDist plugin, choose a pre-trained or custom model, and run prediction directly from the GUI.

ImageJ/Fiji

Use the StarDist plugin from the Plugins menu to apply a model on your image stack with an intuitive interface.

QuPath

After installing the extension, run StarDist detection via QuPath's scripting console or graphical interface for histopathology analysis.

Training & Fine-Tuning

1
Prepare Training Data

Create ground-truth label images where each object is uniquely labeled. Use annotation tools like LabKit, QuPath, or Fiji to prepare your dataset.

2
Train or Fine-Tune

Use StarDist's Python API to train a new model or fine-tune an existing one with your custom annotated data.

Post-Processing Options

  • Apply non-maximum suppression (NMS) to eliminate redundant candidate shapes
  • Use StarDist OPP (Object Post-Processing) to merge masks for non-star-convex shapes

Limitations & Considerations

Training Requirements: Training requires fully annotated ground-truth masks for all objects, which can be time-consuming.
  • Star-convex assumption may not model highly non-convex or very irregular shapes perfectly
  • Installation complexity: custom installs require a compatible C++ compiler for building extensions
  • GPU acceleration depends on compatible TensorFlow, CUDA, and cuDNN versions
  • Some users report issues running the ImageJ plugin due to Java configuration

Frequently Asked Questions

What kinds of microscopy images can StarDist segment?

StarDist works with a variety of image types including fluorescence, brightfield, and histopathology (e.g., H&E), thanks to its flexible pre-trained models and adaptability to different imaging modalities.

Can I use StarDist for 3D volumes?

Yes — StarDist supports 3D instance segmentation using star-convex polyhedra for volumetric data, extending the 2D capabilities to full 3D analysis.

Do I need to annotate my own data to use StarDist?

Not necessarily. Pre-trained models are available and often work well out-of-the-box. However, for specialized or novel data, annotating and training custom models improves accuracy significantly.

Which software supports StarDist?

StarDist integrates with napari, ImageJ/Fiji, and QuPath, allowing you to run segmentation from a GUI without coding. It also supports direct Python API usage for advanced workflows.

How do I evaluate StarDist segmentation quality?

StarDist provides built-in functions for computing common instance segmentation metrics including precision, recall, F1 score, and panoptic quality to assess segmentation performance.

SAM

Application Information

Developer Meta AI Research (FAIR)
Supported Devices
  • Desktop systems via Python
  • Integrated into Microscopy Image Browser (MIB)
Language & Availability Open-source foundation model available globally; documentation in English
Pricing Free — open-source under Meta's license via GitHub and MIB integration

General Overview

SAM (Segment Anything Model) is a powerful AI foundation model created by Meta that enables interactive and automatic segmentation of virtually any object in images. Using prompts such as points, bounding boxes, or rough masks, SAM generates segmentation masks without requiring task-specific retraining. In microscopy research, SAM's flexibility has been adapted for cell segmentation, organelle detection, and histopathology analysis, offering a scalable solution for researchers needing a promptable, general-purpose segmentation tool.

Detailed Introduction

Originally trained by Meta on over 1 billion masks across 11 million images, SAM was designed as a promptable foundation model for segmentation with "zero-shot" performance on novel domains. In medical imaging research, SAM has been evaluated for whole-slide pathology segmentation, tumor detection, and cell nuclei identification. However, its performance on densely packed instances—such as cell nuclei—is mixed: even with extensive prompts (e.g., 20 clicks or boxes), zero-shot segmentation can struggle in complex microscopy images.

To address this limitation, domain-specific adaptations have emerged:

  • SAMCell — Fine-tuned on large microscopy datasets for strong zero-shot segmentation across diverse cell types without per-experiment retraining
  • μSAM — Retrained on over 17,000 manually annotated microscopy images to improve accuracy on small cellular structures

Key Features

Prompt-Based Segmentation

Flexible interaction using points, boxes, and masks for precise control.

Zero-Shot Generalization

Performs segmentation without fine-tuning on new image domains.

Fine-Tuning Support

Adaptable for microscopy and histopathology via few-shot or prompt-based retraining.

3D Integration

Available in Microscopy Image Browser (MIB) with 3D and interpolated segmentation support.

Cell Counting Adaptation

IDCC-SAM enables automatic cell counting in immunocytochemistry without manual annotation.

Download or Access

User Guide

1
Install SAM in MIB
  • Open Microscopy Image Browser and navigate to the SAM segmentation panel
  • Configure the Python interpreter and select between SAM-1 or SAM-2 models
  • For GPU acceleration, select "cuda" in the execution environment (recommended for optimal performance)
2
Run Interactive Segmentation
  • Point prompts: Click on an object to define a positive seed; use Shift + click to expand and Ctrl + click for negative seeds
  • 3D stacks: Use Interactive 3D mode—click on one slice, shift-scroll, and interpolate seeds across slices
  • Adjust mode: Replace, add, subtract masks, or create a new layer as needed
3
Automatic Segmentation
  • Use MIB's "Automatic everything" option in the SAM-2 panel to segment all visible objects in a region
  • Review and refine masks after segmentation as needed
4
Fine-Tune & Adapt
  • Use prompt-based fine-tuning pipelines (e.g., "All-in-SAM") to generate pixel-level annotations from sparse user prompts
  • For cell counting, apply IDCC-SAM, which uses SAM in a zero-shot pipeline with post-processing
  • For high-accuracy cell segmentation, use SAMCell, fine-tuned on microscopy cell images

Limitations & Considerations

Performance Constraints: SAM's zero-shot performance on dense, small, or overlapping biological structures (e.g., nuclei) is inconsistent without domain-specific tuning. Segmentation quality heavily depends on prompt design (point vs. box vs. mask).
  • Zero-shot performance inconsistent on dense or overlapping structures without domain tuning
  • Segmentation quality depends heavily on prompt design and strategy
  • GPU strongly recommended; CPU inference is very slow
  • Struggles with very high-resolution whole-slide images and multi-scale tissue structures
  • Fine-tuning or adapting SAM for microscopy may require machine learning proficiency

Frequently Asked Questions

Can SAM be used directly for cell segmentation in microscope images?

Yes—through adaptations like SAMCell, which fine-tunes SAM on microscopy datasets specifically for cell segmentation tasks.

Do I need to manually annotate cells to use SAM?

Not always. With IDCC-SAM, you can perform zero-shot cell counting without manual annotations.

How can I improve SAM's performance for tiny or densely packed objects?

Use prompt-based fine-tuning (e.g., "All-in-SAM") or pretrained microscopy versions like μSAM, which is trained on over 17,000 annotated microscopy images.

Is GPU required to run SAM in bioimaging applications?

While possible on CPU, GPU is highly recommended for practical inference speed and real-time interactive segmentation.

Can SAM handle 3D image stacks?

Yes—MIB's SAM-2 integration supports 3D segmentation with seed interpolation across slices for volumetric analysis.

Icon

AxonDeepSeg

Developer NeuroPoly Lab at Polytechnique Montréal and Université de Montréal
Supported Platforms
  • Windows
  • macOS
  • Linux
  • Napari GUI for interactive segmentation
Language English documentation; open-source tool used globally
Pricing Free and open-source

Overview

AxonDeepSeg is an AI-powered tool for automatic segmentation of axons and myelin in microscopy images. Using convolutional neural networks, it delivers accurate three-class segmentation (axon, myelin, background) across multiple imaging modalities including TEM, SEM, and bright-field microscopy. By automating morphometric measurements such as axon diameter, g-ratio, and myelin thickness, AxonDeepSeg streamlines quantitative analysis in neuroscience research, significantly reducing manual annotation time and improving reproducibility.

Key Features

Pre-trained Models

Ready-to-use models optimized for TEM, SEM, and bright-field microscopy modalities.

Three-Class Segmentation

Precise classification of axon, myelin, and background regions in microscopy images.

Morphometric Analysis

Automatic computation of axon diameter, g-ratio, myelin thickness, and density metrics.

Interactive Corrections

Napari GUI integration enables manual refinement of segmentation masks for enhanced accuracy.

Python-Based Framework

Integrates seamlessly into custom pipelines for large-scale neural tissue analysis.

Validation Suite

Comprehensive test scripts ensure reproducibility and reliable segmentation results.

Technical Details

Developed by the NeuroPoly Lab, AxonDeepSeg leverages deep learning to deliver high-precision segmentation for neuroscientific applications. Pre-trained models are available for different microscopy modalities, ensuring versatility across imaging techniques. The tool integrates with Napari, allowing interactive corrections of segmentation masks, which enhances accuracy on challenging datasets. AxonDeepSeg computes key morphometric metrics, supporting high-throughput studies of neural tissue structure and pathology. Its Python-based framework enables integration into custom pipelines for large-scale analysis of axon and myelin morphology.

Download or Access

Installation & Setup

1
Install Dependencies

Ensure Python 3.8 or later is installed, then install AxonDeepSeg and Napari using pip:

Installation Command
pip install axondeepseg napari
2
Verify Installation

Run the provided test scripts to confirm all components are properly installed and functioning.

3
Load Your Images

Import microscopy images (TEM, SEM, or bright-field) into Napari or your Python environment.

4
Select Model & Segment

Choose the appropriate pre-trained model for your imaging modality and run segmentation to generate axon and myelin masks.

5
Analyze Metrics

Automatically compute morphometric measurements including axon diameter, g-ratio, density, and myelin thickness, then export results in CSV format.

6
Refine Results (Optional)

Use the Napari GUI to manually adjust segmentation masks where needed, merging or deleting masks for improved accuracy.

Important Considerations

Image Resampling Required: Input images must be resampled to match the model's pixel size (e.g., 0.01 μm/px for TEM) for optimal segmentation accuracy.
  • Performance may decrease on novel or untrained imaging modalities
  • Manual corrections may be required for challenging or complex regions
  • GPU is recommended for faster processing of large datasets; CPU processing is also supported

Frequently Asked Questions

Which microscopy modalities does AxonDeepSeg support?

AxonDeepSeg supports TEM (Transmission Electron Microscopy), SEM (Scanning Electron Microscopy), and bright-field microscopy with pre-trained models optimized for each modality.

Is AxonDeepSeg free to use?

Yes, AxonDeepSeg is completely free and open-source, available for academic and commercial use.

Can I compute morphometric metrics automatically?

Yes, AxonDeepSeg automatically calculates axon diameter, g-ratio, myelin thickness, and density metrics from segmented images.

Do I need a GPU to run AxonDeepSeg?

GPU is recommended for faster segmentation of large datasets, but CPU processing is also supported for smaller analyses.

Can I manually correct segmentation masks?

Yes, Napari GUI integration allows interactive corrections and refinement of segmentation masks for higher accuracy on challenging regions.

Icon

Ilastik

Developer Ilastik Team at the European Molecular Biology Laboratory (EMBL) and associated academic partners
Supported Platforms
  • Windows
  • macOS
  • Linux
Language English
Pricing Free and open-source

Overview

Ilastik is a powerful, AI-driven tool for interactive image segmentation, classification, and analysis of microscopy data. Using machine learning techniques like Random Forest classifiers, it enables researchers to segment pixels, classify objects, track cells over time, and perform density counting in both 2D and 3D datasets. With its intuitive interface and real-time feedback, Ilastik is accessible to scientists without programming expertise and is widely adopted in cell biology, neuroscience, and biomedical imaging.

Key Features

Interactive Pixel Classification

Real-time feedback as you annotate representative regions for instant segmentation results.

Object Classification

Categorize segmented structures based on morphological and intensity features.

Cell Tracking

Track cell movement and division in 2D and 3D time-lapse microscopy experiments.

Density Counting

Quantify crowded regions without explicit segmentation of individual objects.

3D Carving Workflow

Semi-automatic segmentation for complex 3D volumes with intuitive interaction.

Batch Processing

Process multiple images automatically using headless command-line mode.

Download

Getting Started Guide

1
Installation

Download Ilastik for your operating system from the official website. The package includes all necessary Python dependencies, so follow the installation instructions for your platform.

2
Select a Workflow

Open Ilastik and choose your analysis workflow: Pixel Classification, Object Classification, Tracking, or Density Counting. Load your image dataset, which can include multi-channel, 3D, or time-lapse images.

3
Annotate and Train

Label a few representative pixels or objects in your images. Ilastik's Random Forest classifier learns from these annotations and automatically predicts labels across your entire dataset.

4
Export Results

Apply the trained model to segment or classify your full dataset. Export results as labeled images, probability maps, or quantitative tables for downstream analysis and visualization.

5
Batch Processing (Optional)

Use Ilastik's headless mode to automatically process multiple images without manual intervention, ideal for large-scale analysis pipelines.

Limitations & Considerations

  • Interactive labeling can be time-consuming for very large datasets
  • Accuracy depends on the quality and representativeness of user annotations
  • Memory requirements — very high-resolution or multi-gigabyte datasets may require significant RAM
  • Complex data — Random Forest classifiers may underperform compared to deep neural networks on highly variable or complex imaging data

Frequently Asked Questions

Can Ilastik handle 3D and time-lapse microscopy data?

Yes, Ilastik fully supports 3D volumes and time-lapse experiments for segmentation, tracking, and quantitative analysis across multiple timepoints.

Is Ilastik free to use?

Yes, Ilastik is completely free and open-source, available for all users without licensing restrictions.

Do I need programming skills to use Ilastik?

No, Ilastik provides an intuitive graphical interface with real-time feedback, making it accessible to researchers without programming expertise. Advanced users can also use command-line batch processing.

Can Ilastik perform cell tracking?

Yes, the dedicated tracking workflow enables analysis of cell movement and division in both 2D and 3D time-lapse datasets with automatic lineage tracking.

What formats can I export segmentation results in?

Segmentation outputs can be exported as labeled images, probability maps, or quantitative tables, allowing seamless integration with downstream analysis tools and visualization software.

Αυτά τα εργαλεία καλύπτουν επίπεδα από αρχάριους έως ειδικούς. Πολλά είναι δωρεάν και ανοιχτού κώδικα, διευκολύνοντας αναπαραγώγιμες και κοινόχρηστες ροές εργασίας τεχνητής νοημοσύνης στην ερευνητική κοινότητα.

Προκλήσεις και Μελλοντικές Κατευθύνσεις

Τρέχουσες Προκλήσεις

Περιορισμοί δεδομένων: Τα βαθιά μοντέλα απαιτούν μεγάλα, ακριβώς επισημασμένα σύνολα δεδομένων. Τα δεδομένα μικροσκοπίας μπορεί να είναι θορυβώδη και οι βιολογικές δομές ποικίλλουν ευρέως, καθιστώντας δύσκολη την απόκτηση καθαρών επισημασμένων εικόνων. Τα μοντέλα που εκπαιδεύονται σε ένα σύνολο εικόνων μπορεί να μην γενικεύουν σε διαφορετικά όργανα ή προετοιμασίες δειγμάτων.
Ανησυχίες ερμηνευσιμότητας: Τα βαθιά νευρωνικά δίκτυα συχνά λειτουργούν ως "μαύρα κουτιά" που μπορεί να παράγουν πειστικά αποτελέσματα ακόμη και όταν είναι λανθασμένα. Μπορεί να "φαντάζονται" χαρακτηριστικά (δημιουργώντας σφάλματα ή φανταστικές δομές) αν τα εισερχόμενα δεδομένα είναι ασαφή. Τα αποτελέσματα της τεχνητής νοημοσύνης πρέπει πάντα να επικυρώνονται από ειδικούς ή πειράματα.

Αναδυόμενες Τάσεις

Μοντέλα Θεμελιώδους Όρασης

Τα συστήματα τεχνητής νοημοσύνης επόμενης γενιάς υπόσχονται να μειώσουν την ανάγκη για εκπαίδευση ειδική σε κάθε εργασία.

  • Μοντέλα όπως το SAM και συστήματα βασισμένα σε CLIP
  • Ένα AI που διαχειρίζεται πολλές εργασίες μικροσκοπίας
  • Ταχύτερη ανάπτυξη και προσαρμογή

Μικροσκόπια με Υποστήριξη Τεχνητής Νοημοσύνης

Πλήρως αυτόνομα και έξυπνα συστήματα μικροσκοπίας γίνονται πραγματικότητα.

  • Έλεγχος με φυσική γλώσσα μέσω μεγάλων γλωσσικών μοντέλων (LLMs)
  • Πλήρως αυτοματοποιημένοι βρόχοι ανατροφοδότησης
  • Δημοκρατικοποιεί την πρόσβαση σε προηγμένη μικροσκοπία
Προκλήσεις και Μέλλον της Τεχνητής Νοημοσύνης στη Μικροσκοπία
Μελλοντικό όραμα: μικροσκόπια με υποστήριξη τεχνητής νοημοσύνης με έλεγχο φυσικής γλώσσας και αυτόνομη λειτουργία

Βασικά Συμπεράσματα

  • Η τεχνητή νοημοσύνη μετασχηματίζει γρήγορα την επεξεργασία εικόνων μικροσκοπίου με βελτιωμένη ακρίβεια και αυτοματοποίηση
  • Η βαθιά μάθηση υπερτερεί της παραδοσιακής μηχανικής μάθησης σε πολύπλοκες, μεταβλητές εικόνες μικροσκοπίας
  • Τα CNNs μαθαίνουν αυτόματα ιεραρχικά χαρακτηριστικά από ακατέργαστα pixels για ανθεκτική ανάλυση
  • Βασικές εφαρμογές περιλαμβάνουν τμηματοποίηση, ταξινόμηση, παρακολούθηση, αποθορυβοποίηση και αυτοματοποιημένη απόκτηση
  • Η επιτυχία εξαρτάται από ποιοτικά δεδομένα και προσεκτική επικύρωση από ειδικούς
  • Τα μοντέλα θεμελιώδους όρασης και τα μικροσκόπια με υποστήριξη τεχνητής νοημοσύνης αντιπροσωπεύουν το μέλλον του πεδίου

Με συνεχή πρόοδο και προσπάθειες της κοινότητας (εργαλεία ανοιχτού κώδικα, κοινά σύνολα δεδομένων), η τεχνητή νοημοσύνη θα γίνει ολοένα και περισσότερο βασικό μέρος του "ματιού" του μικροσκοπίου, βοηθώντας τους επιστήμονες να δουν το αόρατο.

External References
This article has been compiled with reference to the following external sources:
135 articles
Rosie Ha is an author at Inviai, specializing in sharing knowledge and solutions about artificial intelligence. With experience in researching and applying AI across various fields such as business, content creation, and automation, Rosie Ha delivers articles that are clear, practical, and inspiring. Her mission is to help everyone effectively harness AI to boost productivity and expand creative potential.

Comments 0

Leave a Comment

No comments yet. Be the first to comment!

Search