1、12 實驗設計,1,實驗設計（Design of Experiment，DOE）,順利進行科學研究和數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析的先決條件 獲得預期結果的重要保障,設計,專業(yè)設計：,統(tǒng)計設計：,從各專業(yè)角度考慮實驗的科學安排。 選題、建立假說、確定研究對象和技術方法等。,從統(tǒng)計學角度考慮資料的搜集、整理和分析的設計。 設計類型、樣本含量、統(tǒng)計分析指標及統(tǒng)計分析方法。,2,醫(yī)學科學研究方法分類：,研究是以客觀、真實的觀察為依據(jù)，對觀察結果進行對比分析 不能人為地施加干預措施（即處理因素）； 受試對象接受何種處理因素或同一處理因素的不同水平不是由隨機化而定的。,1. 觀察性研究（Observational stu

2、dy）：,又稱非實驗性研究（Non-experiment study）； 對比研究（Comparative study）；是以客觀、真實的觀察為依據(jù)，對結果進行對比分析。,舉例：1. 研究吸煙與肺癌的關系。 2. 研究母乳喂養(yǎng)和人工喂養(yǎng)兒童的生長發(fā)育情況。,特點：,3,2. 實驗性研究（Experiment study）：,從指研究者能夠人為給予干預措施的研究。 它的設計叫作實驗設計，包括專業(yè)設計和統(tǒng)計設計兩部分。,舉例： 1. 研究健康教育能否預防控制小學生意外傷害的發(fā)生。 2. 兩種毒物致畸變作用的研究 - 大白鼠染毒實驗。,優(yōu)點：可以較好地控制處理因素，排除干擾，使比較組間有較好的均衡性

3、和可比性。 缺點：樣本量較小時，均衡性和可比性難以保證；倫理學方面的問題。,4,舉例：擬考察一種新藥“A脂”降血脂的療效。擬選擇40只小鼠作為研究對象，考察A脂與“洛伐他仃”降血脂之間的差別，以低密度脂蛋白（LDL）作為療效判斷的指標。,5,12.1 實驗設計的概念 。 12.2 實驗設計的三要素 12.3 實驗設計的四原則 12.4 實驗設計的類型 。,6,12.2 實驗設計的三要素,7,實驗設計的三要素：,受試對象（object）,實驗效應（Experimental effect）,實驗因素（Treatment）,處理因素,實驗效應,其它因素,其它效應,舉例：研究某藥對2型糖尿病患者的降糖

4、效果,8,1.受試對象（Object）： 可是生物體和非生物體，前者可是人或動物。實驗可根據(jù)對象不同分動物實驗、 臨床實驗、現(xiàn)場實驗三大類。,動物選擇：種類、品系、年齡、體重、窩別、營養(yǎng)等,保證其同質性和代表性 明確其納入標準和排除標準,病例選擇：診斷明確、依從性好、年齡性別、病情病程等,現(xiàn)場人群：正常人，注意性別、年齡、民族、職業(yè)、文化 程度、經(jīng)濟狀況等。,9,抓住主要處理因素； 區(qū)分處理因素與非處理因素； 處理因素標準化，且實施中恒定不變。,2.實驗因素（Treatment）： 研究者希望著重考察的某些實驗條件，能引起受試對象直接或間接反應的因素。,非實驗因素：與處理因素同時存在，能使受試

5、對象產(chǎn)生效應的因素，叫，因其常常干擾效應與所研究因素間的觀察與分析，又常叫混雜因素（Confounder）。,舉例：藥劑、手術方法、射線、毒物等等,研究中注意：,10,肺 癌 ？,年齡,舉例：考察吸煙與肺癌的關系,11,3.實驗效應（ Experimental effect ）： 是實驗因素作用于受試對象的作用（response）和結局（outcome），通過觀察指標來體現(xiàn)的。,指標選擇：包括客觀、主觀指標；關鍵是選擇好的指標。,12,12.3 實驗設計的四原則,13,四原則：,對照原則,重復原則,隨機原則,英國統(tǒng)計學家 R.A.Fisher 提出實驗設計三原則：,均衡原則,14,12.3.1

6、 對照原則（Control） 對照是比較的對象；設置的目的是控制混雜因素和偏倚，以減少實驗誤差和系統(tǒng)誤差。,同期對照（concurrent control）：在整個實驗過程中，實驗組與對照組始終處于同時同地。 基線比較（baseline）：對照組設置后，應檢驗兩組開始時的狀態(tài)是否均衡。,15,常用的對照形式：, 安慰劑對照（Placebo control）,處理效應,其它因素,其它效應,處理因素,效應,其它因素,其它效應,安慰劑,實驗組：,對照組：,16,安慰劑（Placebo ）,無藥理作用的“假藥”或“偽藥”(dummy medication) 外觀（劑型、大小、顔色）、重量、氣味及口味等

7、與試驗藥物一致。,目的： 克服研究者、受試對象、評價者等由于心理因素所造成的偏倚； 消除疾病自然進程的影響，分離出由于試驗藥物引起的真正反應。,注意：慎用，以不影響人的健康為前提。,17, 空白對照（Blank control）,處理效應,其它因素,其它效應,處理因素,效應,其它因素,其它效應,不處理,實驗組：,對照組：,18,空白對照（Blank control）,對照組不施加任何措施，反映研究對象在實驗過程中的自身變化。, 由于處理手段非常特殊，安慰劑盲法試驗無法執(zhí)行， 或執(zhí)行起來非常困難；如放射治療或手術治療。 試驗藥的不良反應非常特殊，以至無法使研究者處于盲態(tài)（blindness），用

8、安慰劑意義不大，這時采用空白對照。,一般物理化學實驗中扣除本底值的差異； 臨床試驗中，可用于不適合安慰劑對照或慢病研究中。,19, 標準對照（Standard control）：實用現(xiàn)有的標準方法或常規(guī)方法，或現(xiàn)有的標準值或參考值作對照。,新效應,其它因素,其它效應,新處理,標準效應,其它因素,其它效應,實驗組：,對照組：,標準處理,注意：用現(xiàn)有的標準值或參考值作對照-不好！,20,自身對照（Self control）：實驗和對照在同一受試對象身上進行，如身體對稱部分或前后接受兩不同處理。,A效應,其它因素,其它效應,A,B 效應,其它因素,其它效應,B,實驗組：,對照組：,舉例：研究某治療燒

9、傷新藥的療效。,同個體某部位,同個體對稱的部位,21,舉例：研究鹽酸西布曲明的減肥效果-前后對照,注意：單一的前后對照是不提倡的；要設對照組。,前后對照不是同期對照； 在實驗中同樣需要另設一個對照組，用處理前后效應的差值來比較實驗組和對照組。,西布曲明,肥胖患者體重 （服藥前）,肥胖患者體重 （服藥后）,自身對照（Self control）,22, 相互對照（Mutual control）,A 效應,其它因素,其它效應,處理A,B 效應,其它因素,其它效應,處理B,實驗組：,對照組：,23, 實驗對照（Experimental control）：對照組不施加處理因素，但施加與處理因素有關的實驗

10、因素。,A+B 效應,其它因素,其它效應,A+B,B 效應,其它因素,其它效應,B,實驗組：,對照組：,舉例：賴氨酸添加實驗，考察補充賴氨酸對兒童發(fā)育的影響,賴氨酸 + 面包,面包,賴氨酸 + 面包,面包,24, 歷史對照（Experimental control）： 拿當前的實驗結果與歷史上的同類實驗結果相比較，即為，一般不宜采用。,25,安慰劑對照 空白對照 標準對照 自身對照 相互對照 實驗對照 歷史對照,對照,26,A.實驗對照 B.空白對照 C.安慰劑對照 D.相互對照 E.自身對照 1.為研究某新藥治療胃潰瘍的效果，對照組選用雷尼替丁治療，這屬于 。 2.為明確某食物療法對貧血的療

11、效，選用治療前、后血紅蛋白量作為療效觀察指標，這屬于 。 3.為研究某感冒藥物療效，實驗組服用該新藥，對照組不使用任何藥物，這屬于 。 4.若上題，對照組服用感冒通膠囊，則屬于 。,練習題：,27,12.3.2 重復原則 在相同的實驗條件下，進行多次研究或多次觀察，以提高實驗的可靠性和科學性。,重復實驗：相同條件下，獨立重復觀測多個樣品，或受試對象，目的是降低以個體差異為主的各種實驗誤差。關鍵：要有足夠的樣本含量。 重復取樣：同一時間點從同一受試對象或樣品中取多個樣本，目的是看受試對象身上某定量觀測指標含量的分布情況。 重復測量：保證了觀察結果的精度,包括：,目的：估計實驗誤差、降低實驗誤差。

12、,28,12.3.3 隨機原則（Randomization ） （一）目的：使實驗組與對照組之間在非實驗因素的分布盡量保持均衡一致，統(tǒng)計學上常采用隨機化的方法。,抽樣的隨機：每個附合條件的受試對象被抽取的機 會均等。 分組的隨機：每個受試對象被分到各組的機會均等。 實驗順序的隨機：每個受試對象先后接受處理的機 會均等。,隨機化應貫穿研究設計和實施的全過程，包括：,29,抽樣的隨機：,30,【例1】 某班有學生100名，采用單純隨機抽樣的方法抽取15人參加英語口語考試。,單純隨機抽樣（simple random sampling）,31,【例2】如要在1000名新生中抽取50人作樣本，其抽樣間隔

13、為100050=20；若隨機抽取的第一號為8，則抽取的個體號依次為8，28，48，68，88,32,2. 系統(tǒng)抽樣 (systematic sampling),33,【例3】如調查某縣農(nóng)村婦女下生殖道感染情況，可按鄉(xiāng)鎮(zhèn)分層（如好、中、差三層），在各個鄉(xiāng)鎮(zhèn)再隨機抽樣，各個鄉(xiāng)鎮(zhèn)可以獨立分析。,分層抽樣（stratified sampling） ：先將總體全部個體按某種特征分成若干層，再從每一層內隨機抽取一定數(shù)量的個體合起來組成樣本。,34,【例4】如調查某縣農(nóng)村兒童貧血狀況，可按鄉(xiāng)鎮(zhèn)分群體，再隨機抽取幾個鄉(xiāng)鎮(zhèn)，對其中的全部兒童進行調查。,整群抽樣（cluster sampling） ：先將總體分成

14、若干群，形成一個抽樣框；從中隨機抽取幾個群體組成樣本；對抽中群體的全部個體進行調查，稱為整群抽樣。,35,4. 整群抽樣 Cluster sampling,Section 4,Section 5,Section 3,Section 2,Section 1,36,1. 抽簽或擲硬幣 2. 隨機數(shù)字表 （Table of random number） 3. 計算機的偽隨機數(shù)發(fā)生器 （Pseudo random number，PRN） 或：專業(yè)化軟件RandA1.0,（二）隨機化的方法,軟件 種子數(shù),37,（三）常用的兩種隨機化方法,完全隨機化（Complete randomization）： 直接

15、將受試對象進行隨機化分組。,步驟：, 編號：動物按體重大小、患者按就診次序 取隨機數(shù)（與n的位數(shù)相同） 確定組別,38,舉例：試將同性別、體重相近的 30只動物分 到A、B、C三組。,39,表5-1 隨機數(shù)字表（隨機數(shù)字表的一部分）,40,采用完全隨機化進行分組，通常得到不同組的觀察單位數(shù)不同。在實驗設計時若希望各組的單位數(shù)相同,可采用對隨機數(shù)排秩的辦法，此時檢驗效能最高。,41,配對隨機化(Paired randomization)：以“對子”為層 區(qū)組隨機化(Block randomization)： 以“區(qū)組”為層,步驟：, 編號； 取隨機數(shù)； 確定組別,2.分層隨機化（Stratifi

16、ed randomization）： 先對可能影響實驗過程和結果的混雜因素分層，然后在每一層內進行完全隨機化，即是分層隨機化。,常用的有:,42,舉例：為比較四種抗癌新藥的療效，將小白鼠體重作分層或區(qū)組因素，試分配處理。,表8-2 小白鼠區(qū)組隨機化的結果,43,12.3.4 均衡原則 所謂均衡就是指實驗組與對照組之間在非實驗因素方面應力求均衡一致。 主要作用：是確保實驗因素各水平組間不受其他實驗因素或重要的非實驗因素的不平衡的影響。,44,為最大限度的減少偏倚，在臨床試驗設計中還常采用盲法的原則，特別是臨床藥物實驗：,45,12.4 實驗設計類型方法,46,常用的實驗設計方法：,47,方案 1

17、,方案 2,1. 成組設計：,48,2. 配對設計（Paired design） 將受試對象按一定條件配成對子，再隨機分配每對中的兩個受試對象到不同的處理組。 配對因素：可能影響實驗結果的主要混雜因素,同源配對設計 條件相似者配對設計 自身配對設計,包括：,49,A B,配對設計：,50,配對設計的主要形式有： 將兩條件相同或相近的受試對象配成對子（含同一個體兩對稱器官或組織），分別接受兩種不同的處理。如：小鼠配對實驗。 同一受試對象（人或標本）分別接受兩種不同處理。 前后配對：同一受試對象接受一種處理前后。,優(yōu)點：抽樣誤差小； 實驗效率較高； 所需樣本含量較小。 缺點：配成對子比較困難； 丟

18、失對子 配對欠佳或配對失敗時，反而降低效率。,51,3. 隨機區(qū)組設計（Randomized block design） 又稱隨機單位組設計，隨機配伍組設計。,b 個區(qū)組：A 和 B 每個區(qū)組內：k 個受試對象 k 個處理：有待比較,特點：,將受試對象按性質（如動物按窩別、性別、體重；病人按病情、性別、年齡等非處理因素）相同或相近者組成b個區(qū)組（或稱單位組、配伍組）； 每個區(qū)組中k個受試對象隨機分配到每個區(qū)組k個處理組中去。,52,隨機區(qū)組設計（配伍組設計）,A B C D,53,舉例： 30只實驗用大白兔，按窩別同，體重近劃分為10個區(qū)組，每區(qū)組3只大白兔隨機采用A、B、C三種處理方案，問三

19、方案處理后血白蛋白減少量有無不同？,54,隨機區(qū)組設計：,55,4.交叉設計（Cross-over design） 是一種特殊的自身對照設計，按事先設計好的試驗次序，在各個時期對研究對象實施各種處理，比較各處理組間的差異。,兩種處理：A 和 B 兩個階段：I 和 II 隨機分為兩組： 組1 先 A 后 B 組2 先 B 后 A,22 交叉：,能夠分析：處理因素之間的差別 時間先后順序的差別,雙因素設計,兩階段,兩處理,56,表8-3 二階段交叉設計模式,某醫(yī)生為研究某新藥A治療哮喘的療效，以舊藥舒喘寧B為對照。將40名哮喘者隨機分為2組，按22交叉設計模式給藥，測服藥8小時的PEF值。,57,

20、表12-2 配對交叉設計考察催醒寧和等量NS對氟呱啶的作用,研究催醒寧對氟呱啶 的作用。用 6 只大鼠作實驗，均于腹腔注射氟呱啶和硫酸阿托品，在大鼠入睡后15min后再注射 0.5mg/kg 的催醒寧，并以等量NS作對照藥品，以用藥后動物出現(xiàn)蹲和走動作為觀測指標。,58,優(yōu)點：不受個體差異的影響，適用于慢性病。 所需樣本例數(shù)可少一些； 缺點：處理時間不能太長； 若患者治愈或死亡，則后一階段無法進行。 受試對象在某一階段退出實驗，就會造成該階段及以會數(shù)據(jù)的丟失。,交叉試驗：,注意事項： 清除階段旨在消除前一處理的剩余效應，其長短取決于 藥物在血清中衰減程度，一般大于68個半衰期。 盲法：以提高受

21、試對象的依從性，避免偏倚。 不宜用于有自愈傾向或病程較短的疾病研究。,59,5. 析因設計（Factorial design） 又稱完全交叉分組設計，是將兩個或多個實驗因素的各水平進行組合，對各種可能組合都進行實驗，從而探討： 各實驗因素的主效應（main effect） 各因素間的交互作用（interaction）：當某一因素在各水平間變化時，另一個或多個因素各水平的效應也相應地發(fā)生變化。,表示方法：,1.等水平析因設計： m個因素、k個水平，記作：mk,2.不等水平析因設計： 如 3253表示：3個因素2個水平， 5個因素3個水平,如 32析因分析表示：3個因素有2個水平,60,舉例： 某

22、研究人員要了解某升白細胞（A）和純苯（B）對大鼠吞噬指數(shù)的影響，以及兩者同時使用時的效應，測得吞噬指數(shù)結果如下：,各因素的主效應（main effect） 各因素間的交互作用（interaction）：當某一因素在各水平間變化時，另一個因素各水平效應也發(fā)生相應地變化。,61,析因設計：,優(yōu)點：全面高效性 以最小實驗次數(shù)探討各因素的主效應， 同時獲得各因素間的交互作用； 通過比較各種實驗的組合，尋求最佳組合。 缺點：工作量大； 統(tǒng)計分析復雜。,62,6. 重復測量設計（Repeated measurement design） 按實驗分組因素將受試對象分成若干個組，每一組受試對象接受一種特定的處理

23、。 之后，在幾個不同的時間點從同一受試對象身體上重復獲得指標的觀察測，即為。,設計特點：,1.同一受試對象的數(shù)據(jù)高度相關； 2.處理因素在受試對象間為隨機分配的，但受試對象內各時間點往往是固定的，不能隨機分配； 3.有專門用于重復測量資料的方差分析方法。,63,舉例：研究兩種藥物噻胺酮、氯胺酮，對大鼠肌電圖頻數(shù)的影響，實驗測計與觀測結果見下表示：,64,12.5 樣本含量的估計,65,樣本含量（Simple size） 指觀察例數(shù)的多少，又稱樣本大小。,一、樣本含量估計的意義,原則：科學實驗需要重復,所得結果不必真實； 檢驗效能低。,樣本量過大：,實際工作困難，浪費人力物力、時間； 引入過多的

24、混雜因素，影響數(shù)據(jù)質量。,樣本量過?。?必需正確地估計樣本含量，用最少的經(jīng)費達到要求的精度！,66,二、影響樣本含量估計的主要因素：,四個主要因素： 、 、 、 ,1. 第一類錯誤概率，也稱檢驗水準 所設小，所需樣本含量大； 相同，雙側檢驗比單側檢驗所需樣本含量多； 所以要注意單雙側； 一般設為0.05，0.01,2. 第二類錯誤概率b，或檢驗效能1- b 所設b小或檢驗效能1- b 高，則所需樣本量大； 一般設b在0.80 以上。,67,3. 容許誤差 容許誤差大，所需樣本含量??； 的數(shù)值由問題的性質決定。,反映資料的變異度， 愈大，所需樣本含量愈多。 總體概率越近于0.50，說明資料變異度

25、越大，則 所需樣本含量也愈多。 或的數(shù)值由預實驗，或文獻、專業(yè)知識決定。,4. 總體標準差 或總體概率,68,此外，樣本含量大小與下列因素也有關系： 研究中比較組的多少。研究中比較的組別越多，則樣本含量越大。 欲分析變量的多少。 研究所采用的抽樣調查方法。一般而言，整群抽樣單純隨機抽樣系統(tǒng)抽樣分層抽樣的抽樣誤差，因此整群抽樣一般需更大的樣本量，而分層抽樣所需樣本量則較少。,69,三、樣本含量的估計方法：,查表法：方便，但受到列表的限制； 計算法：根據(jù)檢驗效能的公式反推過來，求樣本含量。,(1)單樣本均數(shù)檢驗或均數(shù)的配對檢驗：,均取單側臨界值,為標準正態(tài)分布的雙側臨界值； 為單側檢驗時的。,雙側檢驗：,單側檢驗：,70,舉例：為了解高溫作業(yè)工人心率是否高于一般人群。某研究者隨機抽取10名高溫作業(yè)工人做預試，測得標準差S= 6.2次/分。若高溫作業(yè)工人心率高于一般人群3.0次/分才有專業(yè)意義，問=0.05，0.10時，需要多大樣本含量？,解：,代入公式：,=0.05，0.10，=3.0次/分， =6.2次/分,查表：,故需檢測3