實驗研究設計,2012級碩士研究生醫(yī)學統(tǒng)計學,衛(wèi)生統(tǒng)計學教研室,醫(yī)學科學研究的類型,觀察性研究(observational study):不對研究對象施加干預措施，或不能隨機分配干預類型。橫斷面研究、病例對照研究、隊列研究 實驗性研究(experimental study):對研究對象人為施加干預，且可隨機分配干預類型。以動物、標本或其他生物材料為對象,實驗設計實驗研究的計劃,專業(yè)設計：從專業(yè)角度科學地安排實驗，包括選題、建立假說、確定實驗對象、實驗方法等 統(tǒng)計設計：從統(tǒng)計學角度科學地安排實驗，涉及研究的全過程，包括設計研究類型、對照類型、樣本大小、分配處理的方法、統(tǒng)計分析指標和分析方法等,研究對象是來自某一特定總體的樣本,研究的目的是用樣本推論總體 樣本來源有沒有偏倚 樣本含量是否足夠 如何控制非處理因素對實驗結果的影響 統(tǒng)計學推斷是否支持專業(yè)上的因果推論,第一節(jié) 實驗設計的基本要素,實驗單位 處理因素 實驗效應,實驗研究的基本要素,1. 實驗單位 處理因素作用的客體、或接受處理因素的基本單位。根據(jù)處理的方式，試驗單位可以是生物個體，也可以是器官、組織、細胞、血清等生物材料。 動物實驗：動物的生物學特征 臨床試驗：患者的人口學特征、病情及病程、依從性等 現(xiàn)場試驗：人群的人口統(tǒng)計學特征、社會經(jīng)濟學特征,大多數(shù)情況下，實驗單位等同于實驗對象、受試對象，如臨床試驗的受試者，動物試驗的動物。 例如：用小鼠作為實驗對象，注射藥物后觀察小鼠的生理指標變化，每個小鼠就是一個實驗單位。,如果給小鼠的兩只眼睛施加不同處理后測量眼睛房水的某種物質的含量，則小鼠是實驗對象，小鼠眼睛為實驗單位。每個小鼠接受兩種處理，采集2個數(shù)據(jù)。 樣本量（例數(shù)）指的是實驗單位的個數(shù)。,有時候實驗單位與實驗對象不一致。,2. 處理因素 研究者根據(jù)研究目的施加于實驗單位，在實驗中需要觀察并闡明其效應的因素。包括物理因素、化學因素、生物因素。 處理因素是實驗單位分組的標志 處理因素的水平：處理因素所處的狀態(tài) 單因素實驗：處理因素只有一個 多因素實驗：處理因素不止一個,非處理因素：指實驗中非人為施加的、與處理因素同時存在，同樣可以使受試對象產(chǎn)生實驗效應的因素。如實驗動物的雌雄、體重，受試者的性別、年齡、病情，實驗時的季節(jié)、氣溫等。,9只大白鼠經(jīng)不同功率光波照射后的皮膚溫度,明確處理因素和非處理因素 突出研究因素的主導作用，排除混雜因素的干擾作用。通過相應的實驗設計方法，盡量使非處理因素在各處理組中的分布達到一致或均衡，以便分離出處理因素的效應。 處理因素要標準化 處理因素的施加方法、強度、頻率和持續(xù)時間等，在整個實驗中應始終保持不變，以保證實驗結果評價的可靠性和穩(wěn)定性。,3. 實驗效應,處理因素作用于受試對象的反應，是研究結果的最終體現(xiàn)。 實驗效應通過觀測指標表達: 客觀性 特異性和靈敏性 精確性,指標類型： 計量資料：測量得到，客觀精確。 等級資料：半定量指標。 計數(shù)資料：定性觀察結果。,第二節(jié) 實驗設計的基本原則,重復（replication） 對照（control） 隨機化（randomization）,目的：排除非處理因素的作用，控制隨機誤差，避免系統(tǒng)誤差，提高實驗效率。,一、對照原則 確定實驗組時，同時設立對照組，即不施加處理因素的實驗組。對照組只暴露于非處理因素。,1. 對照設置的原則均衡性 對照組除沒有處理因素外，其它對實驗結果可能有影響的因素（已知、可控的非處理因素）都應該與實驗組盡量相同。,對照的作用：區(qū)分處理因素與非處理因素的效應，顯示處理因素的作用。,對照組：,非處理因素,實驗組：,處理因素,非處理因素,+,（處理效應,+,非處理效應）,非處理效應）,處理因素,Difference = （處理效應）,比較結果：,（,2. 常用的對照形式,空白對照（blank control）：對照組不施加干預，即對照組的處理因素為“空白”。 實驗對照（experimental control）：對照組不施加干預，但施加某種與處理因素有關的實驗因素。用于處理因素的施加需伴隨其他因素，而這些因素又可能影響實驗結果。,標準對照（standard control）：對照組的干預采用現(xiàn)有“標準”方法或常規(guī)方法。主要用于臨床試驗，當倫理上不允許對對照組患者采用空白對照或假干預。如新藥研究采用目前療效確定的藥物作為對照藥。,相互對照（mutual control）：不專門設立對照組，各實驗組間互為對照。如比較幾種同類藥物的療效差別。 潛在對照（potential control)：不專門設立對照組，以過去的研究結果為對照（歷史對照）。,二、重復原則,實驗研究應有一定數(shù)量的重復觀測結果，即實驗單位要達到一定數(shù)量。 避免將個別情況誤認為普遍情況，將偶然誤認為必然，將實驗結果錯誤推廣。 同一實驗條件下、同一觀測指標的多次測量會有變異，多次測量才能描述變異，估計隨機誤差。,實驗單位足夠多時，才能獲得隨機誤差比較小的統(tǒng)計量。重復的目的是估計和控制實驗中的隨機誤差，提高實驗結果的可靠性。 樣本中包含的實驗單位數(shù)稱為樣本含量（樣本量）。重復原則的應用就是保證適宜的樣本含量。,在實驗分組時，每個受試對象均有相同的概率或機會被分配到實驗組和對照組。 隨機化是一種實驗設計的分組程序，而非“隨便”、“隨意”和“非選擇性”。,三、隨機化原則,1. 隨機化的意義和主要作用 保證各種非處理因素在各個實驗組和對照組達到均衡，從而顯現(xiàn)處理因素的作用。 避免各種主、客觀因素可能導致的偏性，減少系統(tǒng)誤差，提高研究結果的效度。（盲法） 隨機化分組是從假設檢驗結果推論因果關系的基礎。確定處理因素與實驗結果之間因果關系的前提是隨機分組后、施加干預前，所有觀察對象都屬于同一個總體。,2. 隨機化分組方法 依據(jù)：隨機數(shù)（random number） 來源： 隨機數(shù)字表（附表15） 計算器：科學型計算器，如CASIOfx-180P計算器 計算機：各種統(tǒng)計軟件，如SPSS均勻分布隨機函數(shù),方法和步驟,（1）實驗單位編號：1n，任意規(guī)則 （2）取隨機數(shù)：位數(shù)自定，一般與n的位數(shù)相同 （3）隨機數(shù)排序：隨機數(shù)由小到大排序 （4）分組：從排序后的隨機數(shù)中，規(guī)定前n1個隨機數(shù)對應的編號為第一組，第（n1+1）個至第（n1+n2）個隨機數(shù)對應的編號為第二組，以此類推。,完全隨機化分組,分組均衡性評價： 例數(shù)：樣本含量越大，非處理因素如病情、年齡、體重等的均衡性越好。 均衡性檢驗：,例29-1,將15只小白鼠隨機等分到A,B,C三組，分別接受三種藥物。,完全隨機設計：N=16, G=4 實驗單位編號 1 2 3 4 5 6 7 8 隨機數(shù) 76 63 10 21 85 90 63 08 序號 14 12 3 5 15 16 13 2 處理組 T4 T3 T1 T2 T4 T4 T4 T1 實驗單位編號 9 10 11 12 13 14 15 16 隨機數(shù) 27 54 31 03 13 61 24 37 序號 7 10 8 1 4 11 6 9 處理組 T2 T3 T2 T1 T1 T3 T2 T3,干預 隨機數(shù)大小序號 實驗單位編號,T1 T2 T3 T4,3，8，12，13 4，9，11，15 2，10，14，16 1，5，6，7,分組的均衡性比較,實驗單位屬性,第三節(jié) 常用實驗設計方法,實驗設計類型根據(jù)安排的處理因素個數(shù)和配伍因素（非處理因素）個數(shù)決定 只安排一個處理因素為單因素設計類型，安排兩種或兩種以上處理因素為多因素設計，包括析因設計、正交設計等,一、完全隨機設計,采用完全隨機化分組方法 安排一個處理因素,不考慮非處理因素 包括平衡設計和非平衡設計 簡單、易于實施，但效率較低,二、隨機區(qū)組設計,分層隨機化分組：先將實驗單位按性質（某個非處理因素）相同或相近者組成區(qū)組（單位組或配伍組），再分別將各區(qū)組內的實驗單位隨機分配到各處理組或對照組 各處理組和對照組均衡性較好，誤差較小，實驗效率較高 如果數(shù)據(jù)不完整，統(tǒng)計分析較復雜,隨機區(qū)組設計的特例（只有2兩種處理，每個區(qū)組內只有兩個實驗單位）。 按照影響實驗結果的非處理因素將實驗單位配成對子，將每對中的兩個實驗單位隨機分配接受不同處理。 與隨機區(qū)組設計一樣，誤差較小，實驗效率較高 當配對失敗或配對欠佳時，效率會降低,三、配對設計,隨機區(qū)組設計的擴展，控制兩種非處理因素，進一步減小誤差，提高效率。 處理因素和兩個非處理因素形成的單位組因素分別用拉丁方中的字母、行和列表示。 三因素，且水平數(shù)相等。,四、拉丁方設計,交叉設計 析因設計 正交設計 裂區(qū)設計,五、多因素設計,實驗設計3要素 實驗設計3原則 隨機化分組的目的和意義 隨機化分組的常用方法和步驟 常見的實驗設計類型,小結,統(tǒng)計學家與研究人員的合作應該在實驗設計階段，而不是在需要數(shù)據(jù)處理的時候。 To call in the statistician after the experiment is done may be no more than asking him to perform a po