科研設(shè)計(jì)緒論

醫(yī)學(xué)科研設(shè)計(jì)和統(tǒng)計(jì)分析衛(wèi)生統(tǒng)計(jì)學(xué)教研室陸健表1-1科學(xué)研究和日常工作的關(guān)系比較內(nèi)容科學(xué)研究日常工作目的明確的研究目的完成平時(shí)工作條件標(biāo)準(zhǔn)、統(tǒng)一滿足要求數(shù)據(jù)完整允許缺項(xiàng)醫(yī)學(xué)科研的特點(diǎn)研究條件不易控制；實(shí)驗(yàn)的周期一般較長；變異程度大；倫理和道德。醫(yī)學(xué)科研中的兩種類型調(diào)查研究(survey):無干預(yù)實(shí)驗(yàn)研究(experiment):有干預(yù)

試驗(yàn)(trial)：以人為對象醫(yī)學(xué)科研的基本程序科研選題科研設(shè)計(jì)（專業(yè)設(shè)計(jì)和統(tǒng)計(jì)設(shè)計(jì)）實(shí)施方法統(tǒng)計(jì)分析科研結(jié)論研究設(shè)計(jì)中的兩個(gè)部分專業(yè)設(shè)計(jì)統(tǒng)計(jì)設(shè)計(jì)：通過合理的、系統(tǒng)的安排，達(dá)到控制系統(tǒng)誤差，以消耗最少的人力、物力和時(shí)間，獲得可靠的信息和結(jié)論。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)(experimentaldesign)通過精心計(jì)劃，包括對象的選擇、處理因素的分配、指標(biāo)的測量和資料的分析來保證組間對象和實(shí)驗(yàn)條件是均衡的，實(shí)驗(yàn)結(jié)果有較好的可比性，并且較好地控制誤差，用較小的樣本獲取可靠的結(jié)論。實(shí)驗(yàn)研究的分類：動物實(shí)驗(yàn)(animalexperiment)臨床試驗(yàn)(clinicaltrial)社區(qū)干預(yù)試驗(yàn)(communityintervenestudy)動物實(shí)驗(yàn)的作用把動物作為實(shí)驗(yàn)對象，在動物身上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，再根據(jù)獲得的結(jié)果逐步過渡到人體上。可研究一些不宜在人體上進(jìn)行的研究，如致畸、致癌、致突變等。動物實(shí)驗(yàn)可使研究設(shè)計(jì)更嚴(yán)密，組間可比性更強(qiáng)。動物實(shí)驗(yàn)的局限性結(jié)果不能直接用于人體；動物種系間存在生物學(xué)特異性；動物實(shí)驗(yàn)容易出現(xiàn)意外死亡，需根據(jù)需要決定舍取數(shù)據(jù)。臨床試驗(yàn)以人體作為研究對象（主要是病人），以臨床為基礎(chǔ)對治療效果作為評價(jià)。臨床試驗(yàn)應(yīng)對人體沒有身心損傷。除了觀察短期的療效外，還應(yīng)關(guān)注遠(yuǎn)期療效和不良反應(yīng)。進(jìn)行臨床試驗(yàn)的注意事項(xiàng)設(shè)立合理的對照；評價(jià)療效時(shí)注意避免病人和醫(yī)生的主觀偏見。保持基線的均衡。社區(qū)干預(yù)試驗(yàn)以社區(qū)人群作為研究對象；一般持續(xù)時(shí)間較長；目的是觀察某項(xiàng)保護(hù)措施對抑制某種危險(xiǎn)因素致病的效果。三個(gè)基本要素：處理因素(studyfactor,treatment)受試對象(studysubject)實(shí)驗(yàn)效應(yīng)(experimentaleffect)處理因素研究者根據(jù)研究目的欲施加或欲觀察的能作用于受試對象并引起直接或間接效應(yīng)的因素。處理因素可以是主動施加的某種外部干預(yù)或措施，也可以是客觀存在的因素。非處理因素與處理因素相對應(yīng)的，也能使受試對象產(chǎn)生效應(yīng)的因素，混雜在處理因素中間，會干擾實(shí)驗(yàn)效應(yīng)，所以又稱混雜因素（confoundingfactor）確定處理因素應(yīng)注意的問題抓住主要因素，一次研究處理因素不宜過多，否則分組太多，每組需要的例數(shù)就要增加；控制非處理因素，使其在實(shí)驗(yàn)組和對照中達(dá)到均衡，消除其對處理因素的干擾作用；處理因素標(biāo)準(zhǔn)化。受試對象處理因素作用的客體，是根據(jù)研究目的而確定的觀察目標(biāo)總體?？梢允侨?、動物，也可以是生物材料，必須保持同質(zhì)性。受試對象的基本條件對處理因素敏感反應(yīng)穩(wěn)定統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)效應(yīng)處理因素作用于受試對象的反應(yīng)和結(jié)果，通過觀察指標(biāo)來表達(dá)。選擇指標(biāo)的依據(jù)：客觀性、特異性和敏感性。區(qū)分主要指標(biāo)和次要指標(biāo)?？陀^性：主觀指標(biāo)：由病人回答或醫(yī)生判斷來描述的觀察結(jié)果，容易受到研究者和受試對象心理因素的影響。客觀指標(biāo)：借助儀器等手段進(jìn)行測量來反映觀察結(jié)果，人為影響因素較少。盡量選用客觀的、定量的指標(biāo)。特異性表示觀察指標(biāo)能鑒別真陰性的能力。特異性高的指標(biāo)容易揭示處理因素的作用，不易受到混雜因素的干擾，可減少假陽性。當(dāng)指標(biāo)出現(xiàn)假陽性會導(dǎo)致受試者很大痛苦或經(jīng)濟(jì)損失時(shí)，或?yàn)榱舜_診某病，需選用特異性高的指標(biāo)。敏感性表示該指標(biāo)檢出真陽性的能力。敏感性高的指標(biāo)能使處理因素作用更好地顯示出來，主要可減少假陰性的出現(xiàn)。當(dāng)疾病的漏診將導(dǎo)致嚴(yán)重后果，必須選用敏感性高的指標(biāo)。三個(gè)基本要素：處理因素(studyfactor,treatment)受試對象(studysubject)實(shí)驗(yàn)效應(yīng)(experimentaleffect)處理因素研究者根據(jù)研究目的欲施加或欲觀察的能作用于受試對象并引起直接或間接效應(yīng)的因素。處理因素可以是主動施加的某種外部干預(yù)或措施，也可以是客觀存在的因素。非處理因素與處理因素相對應(yīng)的，也能使受試對象產(chǎn)生效應(yīng)的因素，混雜在處理因素中間，會干擾實(shí)驗(yàn)效應(yīng)，所以又稱混雜因素（confoundingfactor）確定處理因素應(yīng)注意的問題抓住主要因素，一次研究處理因素不宜過多，否則分組太多，每組需要的例數(shù)就要增加；控制非處理因素，使其在實(shí)驗(yàn)組和對照中達(dá)到均衡，消除其對處理因素的干擾作用；處理因素標(biāo)準(zhǔn)化。受試對象處理因素作用的客體，是根據(jù)研究目的而確定的觀察目標(biāo)總體?？梢允侨恕游铮部梢允巧锊牧?，必須保持同質(zhì)性。受試對象的基本條件對處理因素敏感反應(yīng)穩(wěn)定統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)效應(yīng)處理因素作用于受試對象的反應(yīng)和結(jié)果，通過觀察指標(biāo)來表達(dá)。選擇指標(biāo)的依據(jù)：客觀性、特異性和敏感性。區(qū)分主要指標(biāo)和次要指標(biāo)?？陀^性：主觀指標(biāo)：由病人回答或醫(yī)生判斷來描述的觀察結(jié)果，容易受到研究者和受試對象心理因素的影響?？陀^指標(biāo)：借助儀器等手段進(jìn)行測量來反映觀察結(jié)果，人為影響因素較少。盡量選用客觀的、定量的指標(biāo)。特異性表示觀察指標(biāo)能鑒別真陰性的能力。特異性高的指標(biāo)容易揭示處理因素的作用，不易受到混雜因素的干擾，可減少假陽性。當(dāng)指標(biāo)出現(xiàn)假陽性會導(dǎo)致受試者很大痛苦或經(jīng)濟(jì)損失時(shí)，或?yàn)榱舜_診某病，需選用特異性高的指標(biāo)。敏感性表示該指標(biāo)檢出真陽性的能力。敏感性高的指標(biāo)能使處理因素作用更好地顯示出來，主要可減少假陰性的出現(xiàn)。當(dāng)疾病的漏診將導(dǎo)致嚴(yán)重后果，必須選用敏感性高的指標(biāo)。幾種常見的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)單因素設(shè)計(jì)方案完全隨機(jī)設(shè)計(jì)隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)拉丁方設(shè)計(jì)幾種常見的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)多因素設(shè)計(jì)方案析因設(shè)計(jì)正交設(shè)計(jì)

裂區(qū)設(shè)計(jì)嵌套設(shè)計(jì)交叉設(shè)計(jì)重復(fù)測量設(shè)計(jì)完全隨機(jī)設(shè)計(jì)

（completelyrandomdesign）影響實(shí)驗(yàn)效應(yīng)的因素只有1個(gè)。將受試對象完全隨機(jī)地分配到不同的處理組中，施加處理因素并觀察處理效應(yīng)。不同類別的比較也屬于完全隨機(jī)設(shè)計(jì)。保證受試對象進(jìn)入各處理組的概率完全一樣。換句話說，就是將受試對象完全隨機(jī)地分配到各個(gè)處理組中。完全隨機(jī)設(shè)計(jì)特點(diǎn)：設(shè)計(jì)簡單，統(tǒng)計(jì)分析簡單；處理因素可多個(gè)；對實(shí)驗(yàn)對象要求較高，具備較好的同質(zhì)性；抽樣誤差較大，效率低于區(qū)組設(shè)計(jì)。完全隨機(jī)設(shè)計(jì)資料格式1水平2水平3水平……k水平X11X21X31……Xk1X12X22X32……Xk2………………………………處理因素(分組)i=1,2,……k樣本例數(shù)j=1,2,…,nA組B組C組42.2930.0415.8635.0535.2622.81………………51.3326.5817.7243.1129.9621.52均數(shù)47.1429.3222.01表1三組新生兒臍血胰島素濃度（nmol/L）完全隨機(jī)分組編號123……282930隨機(jī)數(shù)136799……497359序號52130……122217組別ACC……BCB分段分組編號123456……隨機(jī)數(shù)136799822555……序號146523……組別ABCCAB……完全隨機(jī)設(shè)計(jì)－統(tǒng)計(jì)分析方法定量資料參數(shù)法兩個(gè)樣本比較：t檢驗(yàn)多個(gè)樣本比較：方差分析兩兩比較：SNK，DUNNETT，LSD等非參數(shù)法兩個(gè)樣本比較：Wilcoxonranksumtest多個(gè)樣本比較：Kruskal-Wallistest兩兩比較：Nemenyi法、t檢驗(yàn)法完全隨機(jī)設(shè)計(jì)－統(tǒng)計(jì)分析方法等級資料兩個(gè)樣本比較：Wilcoxonranksumtest多個(gè)樣本比較：Kruskal-Wallistest兩兩比較：Nemenyi定性資料兩個(gè)樣本比較：四格表2檢驗(yàn)或確切概率法多個(gè)樣本比較：R×C表2檢驗(yàn)、CMH檢驗(yàn)兩兩比較：四格表分割，降解完全隨機(jī)設(shè)計(jì)－統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果表2完全隨機(jī)設(shè)計(jì)資料的方差分析表變異來源SSDFMSFP組間3342.1821671.0930.10<0.0001組內(nèi)1499.2227

55.53總4841.4029隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)

（randomizedblockdesign）又稱配伍組設(shè)計(jì)。影響實(shí)驗(yàn)效應(yīng)的因素為2個(gè)。設(shè)計(jì)方案將受試對象按某種性質(zhì)（或?qū)傩裕┫嗤蛳嘟呓M成b個(gè)區(qū)組（配伍組），每個(gè)區(qū)組中的受試對象分別隨機(jī)分配到k個(gè)處理組中去。隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)特點(diǎn)：同時(shí)分析兩個(gè)因素：處理和區(qū)組隨機(jī)分配每個(gè)區(qū)組內(nèi)的受試對象每個(gè)區(qū)組的受試對象數(shù)量相同，且同質(zhì)性好控制非實(shí)驗(yàn)因素的影響，突出處理因素的作用，檢驗(yàn)效能較完全隨機(jī)設(shè)計(jì)高較難找到合適的配伍隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)資料格式區(qū)組ABC均數(shù)164.96109.28134.32102.85261.12103.06119.6694.61970.59116.27141.17109.341058.3396.13116.8390.43均數(shù)63.75106.19128.0099.31表3三組豚鼠子宮濕重（g）隨機(jī)區(qū)組分組編號123……隨機(jī)數(shù)529……序號213……組別BAC……隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)－統(tǒng)計(jì)分析方法定量資料參數(shù)法兩樣本比較：配對t檢驗(yàn)多樣本比較：方差分析兩兩比較：SNK，DUNNETT，LSD等非參數(shù)法兩樣本比較：Wilcoxonsignedranktest多樣本比較：Freidmantest兩兩比較：Nemenyi法、t檢驗(yàn)法隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)－統(tǒng)計(jì)分析方法等級資料兩個(gè)樣本比較：Wilcoxonranksumtest多個(gè)樣本比較：Fredmantest兩兩比較：Nemenyi法、t檢驗(yàn)法定性資料兩個(gè)樣本比較：配對四格表2檢驗(yàn)多個(gè)樣本比較：R×C表2檢驗(yàn)、CMH檢驗(yàn)兩兩比較：四格表分割，降解隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)－統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果表4隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)資料的方差分析表變異來源SSDFMSFP處理組間8524.8524262.43341.66<0.0001區(qū)組間660.423220.1417.12<0.0001誤差74.86612.86總9260.1211拉丁方設(shè)計(jì)

（latinsquaredesign）設(shè)計(jì)方案當(dāng)影響實(shí)驗(yàn)效應(yīng)的因素2個(gè)以上時(shí)，而且影響因素的水平數(shù)是相同的，可安排每個(gè)因素的每個(gè)水平組合作為一次處理。例如，影響皰疹大小因素有3個(gè)：家兔的種類、注射部位、不同藥物。每個(gè)因素都有5個(gè)水平數(shù)，則可以安排5×5×5的拉丁方設(shè)計(jì)。拉丁方設(shè)計(jì)步驟行代表一個(gè)因素，如家兔編號列代表一個(gè)因素，如注射部位格中字母代表一個(gè)因素，如注射藥物主要分析的因素以拉丁字母表示拉丁方設(shè)計(jì)步驟隨機(jī)排列拉丁方的行、列產(chǎn)生隨機(jī)數(shù)，進(jìn)行隨機(jī)數(shù)排序和行列對調(diào)。如，先產(chǎn)生行隨機(jī)數(shù)：55、86、34、58，則排序順序?yàn)?、4、1、3，則安排第2行和第4行對調(diào)，第1行和第3行對調(diào)；列的排列類似。隨機(jī)分配處理因素的水平假定水平1～5分別對應(yīng)甲～戊五種藥物，先產(chǎn)生隨機(jī)數(shù)，排序后確定格中字母分別對應(yīng)的水平如，產(chǎn)生5個(gè)隨機(jī)數(shù)95、18、80、63、42，排序后為5、1、4、3、2，則分別說明A對應(yīng)戊，B對應(yīng)甲，……。拉丁方設(shè)計(jì)步驟ABCDEBCDEACDEABDEABCEABCDABCDEDEABCCDEABBCDEAEABCD2、4行對調(diào)CDEABDEABCABCDEBCDEAEABCD1、3行對調(diào)1、4列對調(diào)ADECBBEADCDBCAEECDBACABED2、3列對調(diào)AEDCBBAEDCDCBAEEDCBACBAED表5拉丁方設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果家兔編號注射部位123451(戊)413(乙)47(丙)132(丁)230(甲)182(甲)31(戊)415(乙)70(丙)156(丁)2303(丙)126(丁)253(甲)51(戊)433(乙)764(乙)73(丙)126(丁)291(甲)60(戊)4535(丁)210(甲)58(戊)423(乙)81(丙)140拉丁方設(shè)計(jì)－統(tǒng)計(jì)分析方法通常拉丁方設(shè)計(jì)主要分析定量資料方差分析表6拉丁方設(shè)計(jì)資料的方差分析表變異來源SSDFMSFP行(家兔)2845.844711.462.530.0957列（部位）2000.244500.061.780.1983字母（藥物）488202.644122050.66433.63<0.0001誤差3377.5212281.46總496426.2424析因設(shè)計(jì)

（factorialdesign）設(shè)計(jì)方案將兩個(gè)或多個(gè)實(shí)驗(yàn)因素的各水平進(jìn)行全面組合的實(shí)驗(yàn)，每種組合安排若干個(gè)受試對象經(jīng)。能夠分析各實(shí)驗(yàn)因素的單獨(dú)效應(yīng)、主效應(yīng)和因素間的交互作用。2×2析因設(shè)計(jì)實(shí)例不用甲藥（a1）使用甲藥（a2）不用乙藥（b1）使用乙藥（b2

）不用乙藥（b1）使用乙藥（b2

）0.390.671.351.760.710.771.311.480.560.701.031.760.390.741.061.970.430.871.551.69X=0.496X=0.750X=1.260X=1.732表7不同治療組別膽固醇的降低量（mmol/L）表8兩因素兩水平析因設(shè)計(jì)B因素A因素平均差值不用甲藥（a1）使用甲藥（a2）不用乙藥(b1)a1b1(0.496)a2b1(0.750)0.6230.254使用乙藥(b2)a1b2(1.260)a2b2(1.732)1.4960.472平均0.8781.2410.1600.218差值0.7640.9820.218d1d2表9析因設(shè)計(jì)資料的方差分析表變異來源SSdfMSFP總4.94019A因素主效應(yīng)3.811

13.811148.13<0.0001B因素主效應(yīng)0.659

10.65925.610.0001AB交互作用0.059

10.0592.310.1481誤差0.412160.026正交設(shè)計(jì)

（orthogonaldesign）設(shè)計(jì)方案當(dāng)影響實(shí)驗(yàn)效應(yīng)的因素較多時(shí)，安排每個(gè)因素每個(gè)水平組合作為一次處理，則處理組別多，可分析的交互作用也較多。如，有4個(gè)因素（A、B、C、D），每個(gè)因素有2個(gè)水平，則需安排2×2×2×2＝16個(gè)組別，交互作用有AB，AC，AD，BC，BD，CD，ABC，ABD，BCD，ABCD。正交設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)方案多個(gè)處理組是各因素各水平的部分組合，或稱析因設(shè)計(jì)的部分實(shí)施；能成倍地減少試驗(yàn)次數(shù)；以犧牲分析各因素交互作用為代價(jià)；只分析有意義的主效應(yīng)和部分重要因素的一階交互作用。正交設(shè)計(jì)表正交設(shè)計(jì)各因素各水平的組合方式要查正交設(shè)計(jì)表決定。每個(gè)正交表都有一個(gè)表頭符號LN(mk)，表示正交表有N行k列。N表示實(shí)驗(yàn)次數(shù)，m表示各因素的水平數(shù)，k表示最多可安排的因素個(gè)數(shù)（交互作用當(dāng)作因素）。正交設(shè)計(jì)的原則各實(shí)驗(yàn)因素的水平數(shù)相等二水平：L4(23)、L8(27)、L12(211)、L16(215)；三水平：L9(34)、L18(37)、L27(313)；四水平：L16(45)、L32(49)；五水平：L25(56)、L50(511)。表10L8(27)正交表處理列號12345671111111121112222312211224122221152121212621221217221122182212112表11L8(27)正交表的表頭設(shè)計(jì)因素個(gè)數(shù)實(shí)施比例列號123456731ABABCACBCABC41/2ABABCACBCD(CD)(BD)(AD)當(dāng)各因素存在一階交互作用時(shí)，必須采用表頭設(shè)計(jì)的內(nèi)容安排各因素的水平。正交設(shè)計(jì)的原則試驗(yàn)的操作簡單或希望得到較多的信息，可選擇Ｎ較大的正交表。反之，操作復(fù)雜或成本較高的試驗(yàn)，可選擇Ｎ較小的正交表。分析交互作用（主要是兩因素之間的交互作用），選ｋ較大的正交表。若已知因素間的交互作用很小，則選ｋ較小的正交表。表12微球載藥量的正交試驗(yàn)實(shí)驗(yàn)序號A因素淀粉濃度B因素淀粉/藥物溶液體積比C因素交聯(lián)劑用量D因素油水相體積比載藥量（ug/mg）1111127.362112228.123121131.064122225.425211122.096212216.577221114.228222216.10變異來源dfSSMSFP總7