在生命科学研究中,荧光显微成像技术一直是观察不同样本的微观结构的重要手段。其中以脑为代表的器官成像,由于其兼具数毫米的宏观尺度和微米甚至纳米级的微观结构,对成像方式提出了很高的挑战。相较于以落射式荧光显微镜为代表的传统三维荧光显微镜,光片荧光显微镜具有成像通量高、轴向分辨率高、光漂白和光毒性速率低等优势,近年来在整体器官的解剖学显微成像领域得到广泛应用。然而,当前主流的高斯光片显微镜受制于分辨率与视场的矛盾和厚组织样本的光散射和吸收,在大样品的高通量成像上仍然表现欠佳。新型的扫描贝塞尔光片显微镜一定程度上克服了这两个缺点,因而成为了更优的整体器官成像手段。与硬件上的成像手段齐头并进,对已获得的三维荧光显微图像进行图像处理,可以从软件角度克服大视场下三维分辨率较低、厚组织中光吸收和散射的问题,因此同样具有重要的研究价值。本文围绕完整器官高通量成像和图像处理与分析中存在的问题,以进一步突破成像速度和分辨率之间的矛盾为中心,开展了以下研究:首先,硬件上基于贝塞尔光束,对常规高斯光片显微镜进行改进,设计了一种双侧对射的扫描贝塞尔光片显微镜。由锥透镜基于干涉的原理生成贝塞尔光束,通过电动振镜和扫描透镜,将贝塞尔光束扫描为贝塞尔光片。同时配合利用科研级相机的可控电子狭缝功能,限制贝塞尔光束的旁瓣所激发的焦外荧光信号,产生仅由主极强激发的扫描贝塞尔光片。在探测端,使用商用的宏观变倍显微镜作为探测光路。使用荧光微球测量成像系统的点扩散函数,贝塞尔扫描光片显微镜最高可以实现视场1-10mm可调,各向同性三维分辨率最高约1μm,满足大视场下高分辨三维成像的需求。利用该系统对小鼠全脑、肺叶等样本进行快速筛选,并对其中部分样品观测高分辨细节,展示其在生物学上的应用。其次,软件上,对于已经获得的三维荧光图像,分别使用压缩感知和深度学习两种方式对图像的三维分辨率进行增强,都实现了每个维度各4倍的分辨率提升,相较于仅通过高倍率硬件成像,可以提升64倍通量。通过结合3.2×探测倍率硬件成像和压缩感知/深度学习超分辨,实现了数分钟内采集全脑等整体器官的三维高分辨数据,像素分辨率达到各向同性0.5μm。并在此基础上进行神经追踪、细胞计数等具体应用分析。最后,利用深度学习,对受到光吸收和散射影响的较厚组织荧光图像,实现了模糊图像的分辨率和信噪比提升。将该神经网络分别应用在未透明的小鼠脑片上,展示该网络对图像的提升效果和在生物医学上的应用前景。