醫(yī)學統(tǒng)計學第3章實驗設計

良好的設計是順利進行科學研究和數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析的前提,也是獲得預期結果的重要保證。設計包括專業(yè)設計和統(tǒng)計設計兩部分。專業(yè)設計是從專業(yè)角度考慮實驗的科學安排，它包括選題、建立假設、確定研究對象和技術方法等。統(tǒng)計設計則是從統(tǒng)計學的角度考慮設計的科學性，使研究結果具有較好的可靠性和重現(xiàn)性。統(tǒng)計設計是對資料的搜集、整理和分析過程總的設想和安排，它包括確定設計類型、估算樣本含量、選定統(tǒng)計分析指標和方法等。第一頁，共67頁。根據(jù)研究者是否人為地設置處理因素，即是否給予干預措施，可將醫(yī)學研究分為調(diào)查研究和實驗研究兩大類。1.調(diào)查研究

又稱觀察性研究或非實驗性研究，確切地說應是非隨機化對比研究。它對研究對象不施加任何干預措施，是在完全“自然狀態(tài)”下對研究對象的特征進行觀察、記錄，并對觀察結果進行描述和對比分析。第二頁，共67頁。例如：欲了解農(nóng)村地區(qū)的衛(wèi)生服務需求情況，隨機抽取部分農(nóng)戶詢問患病與就醫(yī)情況。居民的患病或就醫(yī)不是由研究者所確定的，也不是隨機確定的，而是根據(jù)農(nóng)戶自身的實際情況確定的，研究者只是被動的觀察實際情況。第三頁，共67頁。2.實驗研究

又稱干預性研究，是對研究對象人為給予干預措施的研究。例如：在關于健康教育能否預防小學生近視的研究中，將小學生隨機分為實驗組和對照組，對實驗組的小學生給予有關近視的健康教育，對照組則只是每天做一次眼保健操，不進行健康教育。觀察一段時間后，比較兩組小學生視力下降發(fā)生情況。第四頁，共67頁。實驗研究的優(yōu)點為：不但能較好地控制重要的非處理因素(即混雜因素)的影響，使比較組間具有均衡性和可比性，還能將多種實驗因素包括在較少次數(shù)的試驗中，達到高效的目的。缺點為：小樣本不能保證非處理因素對各組的影響相同。第五頁，共67頁。第一節(jié)實驗設計的基本要素受試對象、處理因素和實驗效應是實驗設計的三個基本因素。實驗設計的目的就是要闡明某種或某些處理因素對受試對象產(chǎn)生的效應。例如：研究某降血糖藥物對II型糖尿病患者的降血糖效果，其中II型糖尿病患者為受試對象，該降血糖藥物為處理因素，血糖的變化為實驗效應。第六頁，共67頁。一、受試對象受試對象是處理因素作用的客體，應根據(jù)研究目的而確定。根據(jù)受試對象不同，實驗可以分為三類：①動物實驗其受試對象為動物，也可以是器官、細胞或血清等生物材料；②臨床試驗其受試對象通常為患者；③現(xiàn)場試驗其受試對象通常為人群。醫(yī)學研究一般需要先進行動物實驗，在確定無害的條件下再進行臨床試驗。第七頁，共67頁。選擇受試對象應有明確的納入標準和排除標準以保證受試對象的同質性。首先，受試對象應滿足兩個基本條件：一是對處理因素敏感；二是反應比較穩(wěn)定。例如，研究某藥物對高血壓的治療效果，常選用I、II期高血壓患者作為受試對象，因為III期高血壓患者對藥物不夠敏感。為使研究結果具有普遍性和推廣價值，需保證受試對象的同質性和代表性。第八頁，共67頁。動物的選擇應注意種屬、品系、年齡、性別、體重、窩別和營養(yǎng)狀況等。臨床試驗的受試對象大多數(shù)是患者，應選擇診斷明確、依從性好的病例，并應注意年齡、性別、病情和病程等。預防醫(yī)學現(xiàn)場試驗的受試對象大多數(shù)是正常人，應注意年齡、性別、民族、職業(yè)、文化程度和經(jīng)濟狀況等。第九頁，共67頁。二、處理因素處理因素是根據(jù)研究目的而施加的特定的實驗措施，又稱受試因素。如給予某種降糖藥。當處理因素為單個時，稱為單因素；處理因素為多個時，稱為多因素。每個因素在量或強度上可有不同，這種量或強度的不同就稱為水平。第十頁，共67頁。依照因素與水平的不同，可產(chǎn)生四類實驗：單因素單水平實驗，如研究教育干預法預防小兒單純性肥胖的效果；單因素多水平實驗，如研究不同含氟制劑的防齲效果；多因素單水平實驗，如比較不同治療方案對椎間盤突出的治療效果；多因素多水平實驗，如研究多種藥物不同劑量的聯(lián)合治療對消化潰瘍的療效。第十一頁，共67頁。與處理因素相對應并同時存在的是非處理因素。某些非處理因素可干擾所研究因素與實驗效應間關系的觀察與分析，又稱混雜因素。如研究某治療方法對鼻咽癌的療效，若對照組與實驗組鼻咽癌患者的臨床分期不同，則鼻咽癌的分期會干擾該治療方法的治療效果分析，成為一個混雜因素。第十二頁，共67頁。1.分清處理因素和非處理因素處理因素通常取決于研究者，是根據(jù)研究目的確定的，對受試對象主動施加的外界干預，如對實驗動物給藥、不給藥及按不同劑量給藥等。非處理因素通常取決于受試對象本身，主要指不能人為改變的，可能對實驗結果有影響的因素，如實驗動物的性別、體重或患者的年齡、病情輕重等。在確定處理因素的同時，還需根據(jù)專業(yè)知識和實驗條件，找出重要的非處理因素。第十三頁，共67頁。2.處理因素應當標準化在試驗過程中同一處理因素應始終保持不變，包括處理因素的施加方法、強度、頻率過濾和持續(xù)時間等。如在臨床試驗中，藥物的性質、成分、批號、劑型、劑量、使用方法等應完全相同，手術或其他操作的熟練程度都應當自始至終保持恒定，否則將會影響結果的穩(wěn)定性。第十四頁，共67頁。三、實驗效應實驗效應是處理因素作用下，受試對象的反應或結局，它通過觀察指標來體現(xiàn)。選擇觀察指標時，應當注意以下幾點：第十五頁，共67頁。1.客觀性觀察指標有主觀指標和客觀指標之分，主觀指標是指被觀察者的主觀感受、記憶、陳述或觀察者的主觀判斷結果；而客觀指標則是借助測量儀器或實驗室檢查等手段獲得的結果。在臨床試驗中，主觀指標易受觀察者和被觀察者心理因素的影響，具有隨意性和偶然性，而客觀指標具有較好的真實性和可靠性。但在現(xiàn)代醫(yī)學愈來愈重視主觀指標的應用，如進行生存質量分析時，采用公認的量表來測量某些主觀感受，反應處理效應的變化。第十六頁，共67頁。2.精確性

包括準確度和精密度兩層含義。準確度指觀察值與真值的接近程度，主要受系統(tǒng)誤差的影響。精密度指相同條件下對同一對象的同一指標進行重復觀察時，觀察值與其均數(shù)的接近程度，其差值受隨機誤差的影響。觀察指標應當既準確有精密。第十七頁，共67頁。3.靈敏性與特異性指標的靈敏度反映其檢出真陽性的能力，靈敏度高的指標能將處理因素的效應更好地顯示出來。例如，研究某藥治療缺鐵性貧血的效果，既可選用臨床癥狀、體征，也可選用血紅蛋白含量作為觀察指標，但這些觀察指標只有在缺鐵比較明顯的情況下才有較大變動，所以不夠靈敏。而選用血清鐵蛋白作為觀察指標，則可靈敏地反應出處理因素的效應。指標的特異度反映其鑒別真陰性的能力，特異度高的指標不易受混雜因素的干擾。第十八頁，共67頁。總之，所確定的指標應當靈敏而準確地反映處理因素的效應，經(jīng)對觀察指標的分析，能夠較為圓滿地回答研究假設所提出的問題。此外，指標的觀察應避免帶有偏性或偏倚，如研究者的心理常偏向于陽性結果，醫(yī)生常偏向于新療法組，而患者則對新療法持懷疑態(tài)度等。為消除或最大限度減少這種偏性，在設計時常采用盲法。第十九頁，共67頁。第二節(jié)實驗設計的基本原則在實驗設計時，為更好地控制非處理因素對結果的影響，以較少的受試對象取得較為可靠的信息，達到經(jīng)濟高效的目的，必須遵循對照、隨機化和重復的原則。第二十頁，共67頁。一、對照原則在確定處理因素的試驗組時，應同時設立對照組。只有設立了對照才能較好地控制非處理因素對實驗結果的影響，從而將處理因素的效應顯示與分離出來，將效應歸因于處理因素。不設立對照往往會誤將非處理因素產(chǎn)生的效應當成處理效應，從而得出錯誤的結論。例如，研究某藥物對上呼吸道感染的療效，由于上呼吸道感染患者有自愈的傾向，如果沒有設立對照，即使該藥物沒有效果或者療效甚微，也可能得到療效較好的結論。第二十一頁，共67頁。設立對照應遵循均衡性原則。均衡是指在設立對照時除給予的處理因素不同外，對照組和試驗組的其他重要的、可控制的非處理因素應保持一致。在整個實驗過程中，對照組和試驗組應始終處于同時同地，即應設立同期對照或平行對照。盡量不要用以往的研究資料作為歷史對照。第二十二頁，共67頁。對照形式有多種，常有以下幾種：1.安慰劑對照安慰劑或稱偽藥物，是一種無藥理作用的制劑，不含試驗藥物的有效成分，但其外觀如劑型、大小、顏色、重量、氣味及口味等都與試驗藥物一樣，不能為受試對象所識別。第二十三頁，共67頁。安慰劑對照的目的在于克服研究者、受試對象等由心理因素導致的偏倚。安慰劑對照還可消除疾病自然進程的影響，分離出試驗藥物所引起的真正效應。安慰劑的使用需慎重，應以不損害患者健康為前提，適用于研究的疾病尚無有效藥物治療或使用安慰劑后對該疾病病情、臨床過程、預后無影響或不利影響小的情況，一般與盲法結合使用。第二十四頁，共67頁。2.空白對照

即對照組不接受任何處理，在動物實驗和實驗室方法研究中最常用，常用于評價測量方法的準確度，評價實驗是否處于正常狀態(tài)。例如，在實驗室中設置空白管并同時測定，以檢測本底值。在臨床試驗中，空白對照雖簡單易行，但涉及倫理方面的問題，且實施過程中容易引起實驗組與倫理組在心理上的差異，從而影響結果的可靠性，因此較少使用。第二十五頁，共67頁。但空白對照可用于以下情況：一是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，如實驗組為放射治療或手術治療等；二是試驗藥物的不良反應非常特殊，以至于無法使研究者處于盲態(tài)，這時使用安慰劑對照意義不大，不如采用空白對照。第二十六頁，共67頁。3.實驗對照對照組不施加處理因素，但施加某種與處理因素有關的實驗因素。如研究膳食中強化鐵預防缺鐵性貧血的試驗中，實驗組兒童食用強化鐵醬油烹飪的飯菜，對照組為普通醬油。這里醬油是與處理因素有關的實驗因素，兩組除是否強化鐵外，其他條件一致，這樣才能顯示和分析醬油中鐵的作用。第二十七頁，共67頁。4.標準對照用現(xiàn)有的標準方法或常規(guī)方法作為對照。標準對照在臨床試驗中用得較多，因為很多情況下不給患者任何治療是不道德的。另外，在實驗室中常用于某種新檢驗方法是否能代替?zhèn)鹘y(tǒng)方法的研究。第二十八頁，共67頁。5.自身對照對照與實驗在同一受試對象身上進行，如身體對稱部位或實驗前后兩階段分別接受不同的實驗因素，一個為對照，一個為實驗，比較其差異。自身對照簡單易行，使用廣泛。例如：研究不同進針法的靜脈穿刺對血管組織的損傷，對大白兔一側耳緣靜脈采用針尖斜面向上進針法，另一側耳朵的對稱部位采用針尖斜面向左進針法。第二十九頁，共67頁。又如，研究某減肥茶的效果，以服用前的體重作為對照。但嚴格地說，這一設計使用的不是同期對照，若實驗前后某些環(huán)境因素或自身因素發(fā)生了變化，并且可以影響實驗結果，這種對照就難以說明問題。因此，在實驗中常常需要另外設立一個平行的對照，用實驗組與對照組前后效應的差值來進行比極。第三十頁，共67頁。二、隨機化原則隨機化是采用隨機的方式，使每個受試對象都有同等的機會被抽取或分配到試驗組和對照組。隨機化使大量難以控制的非處理因素在試驗組和對照組中的影響相當，并歸于實驗誤差之中。隨機化應貫穿于實驗研究全過程，在受試對象的抽樣、分組以及實驗實施過程中均應遵循隨機化原則，隨機體現(xiàn)在如下三個方面：第三十一頁，共67頁。①隨機抽樣每個符合條件的受試對象被抽中的機會相等，即總體中每個個體都有相同的機會被抽到樣本中來，它保證了所得樣本有代表性。第三十二頁，共67頁。②隨機分配每個受試對象被分配到各組的機會相等。它保證了大量難以控制的非處理因素在對比組間盡可能均衡，以提高組間的可比性。第三十三頁，共67頁。③試驗順序隨機每個受試對象先后接受處理的機會相等，它使實驗順序的影響也達到均衡。第三十四頁，共67頁。在實驗設計中常通過隨機數(shù)來實現(xiàn)隨機化。獲得隨機數(shù)的常用方法有三種：隨機數(shù)字表、計算機的偽隨機數(shù)發(fā)生器與隨機排列表。隨機數(shù)字表（李曉松附表1）常用于抽樣研究及隨機分組。表內(nèi)隨機數(shù)字互相獨立，無論橫行、縱列或斜向等各種順序均是隨機的。使用時可從任一個數(shù)字開始，可查單行、單列，雙行、雙列，也可以多行、多列，方向可向下或向上，亦可向左或向右。第三十五頁，共67頁。偽隨機數(shù)是由計算機產(chǎn)生的介于0-1之間的均勻分布的數(shù)字，若要得到0-99之間的隨機數(shù)，將每個數(shù)乘以100，取整數(shù)即可。隨機排列表適用于分組排列等的隨機化，用法比隨機數(shù)字表更為簡便。當樣本含量較少時，應用隨機數(shù)字表往往會遇到奇數(shù)和偶數(shù)出現(xiàn)機會不等的現(xiàn)象，致使分到各組的研究對象數(shù)量出現(xiàn)較大差異。應用隨機化排列可避免這種現(xiàn)象。（中醫(yī)藥統(tǒng)計學與軟件應用：附表17）

第三十六頁，共67頁。1.完全隨機化

完全隨機化就是直接對受試對象進行隨機化分組，分組后各組受試對象的例數(shù)不一定相等。其具體步驟如下：(1)編號將n個受試對象按一定順序編號，如動物可按體重大小，患者可按就診順序等。第三十七頁，共67頁。(2)取隨機數(shù)可從隨機數(shù)字表、計算機等獲得。每個受試對象的隨機數(shù)可以是一位數(shù)，兩位數(shù)或三位數(shù)，一般要求與n的位數(shù)相同。(3)確定組別根據(jù)事先確定的規(guī)則，按照受試對象獲得的隨機數(shù)確定受試對象在哪一組。第三十八頁，共67頁。例3-1試將性別相同、體重相近的15只動物隨機分到A、B、C三組。現(xiàn)將動物按體重編號，再從隨機數(shù)字表中任一行，如第20行最左端開始橫向連續(xù)取15個兩位數(shù)。事先規(guī)定：按照隨機數(shù)大小編號，若出現(xiàn)相同隨機數(shù)，則先出現(xiàn)的為小，規(guī)則：序號1-5對應的小白鼠為A組，序號6-10對應的為B組，序號11-15對應的為C組。第三十九頁，共67頁。編號123456789101112131415隨機數(shù)序號分組382A648B433A596B9814C9815C7711C8712C6810B071A9113C515A679B627B444A表3-115只小白鼠完全隨機分組的結果分組結果為：第1,3,10,12,15號進入A組；第2,4,9,13,14號進入B組；第5,6,7,8,11號進入C組。第四十頁，共67頁。使用DPS7.05進行隨機分組第四十一頁，共67頁。第四十二頁，共67頁。第四十三頁，共67頁。第四十四頁，共67頁。2.分層隨機化

完全隨機化雖然可以提高各組的均衡性，但并不能保證各組間一定達到良好的均衡性。此時應先對可能影響實驗過程和結果的主要混雜因素進行分層，然后在各層內(nèi)進行完全隨機化，稱為分層隨機化。配對隨機化和區(qū)組隨機化可看成是分層隨機化的實際應用。第四十五頁，共67頁。下面以區(qū)組隨機化為例介紹分層隨機化的主要步驟：(1)編號排序將受試對象按照主要混雜因素相近的原則分層或區(qū)組，為同一層或區(qū)組內(nèi)個體編號。(2)取隨機數(shù)可從隨機數(shù)字表、計算機等獲得。每個受試對象的隨機數(shù)可取兩位數(shù)。第四十六頁，共67頁。(3)確定組別根據(jù)事先確定的規(guī)則，按照每層受試對象獲得的隨機數(shù)確定受試對象在哪一組。分兩組可按隨機數(shù)的奇偶；分k組可按隨機數(shù)除以k后的余數(shù)進行分組。第四十七頁，共67頁。研究總體受試對象納入排除匹配區(qū)組1區(qū)組b區(qū)組2……K個水平圖3.1隨機區(qū)組示意圖第四十八頁，共67頁。例3-3將16只小白鼠的體重作為區(qū)組因素，分為4個區(qū)組，試作隨機區(qū)組設計。第四十九頁，共67頁。將16只小白鼠按體重由輕到重依次排序，依次每4個形成一個區(qū)組，并對每個區(qū)組內(nèi)的小鼠編號。任選隨機數(shù)字，事先規(guī)定，每一區(qū)組中，將隨機數(shù)字從小到大排序，序號1，2，3，4分別對應于四種劑量的A，B，C，D。第五十頁，共67頁。區(qū)組編號1動物編號1.11.21.31.4隨機數(shù)04311721序號1423組別ADBC第五十一頁，共67頁。區(qū)組編號2動物編號2.12.22.32.4隨機數(shù)56337399序號2134組別BACD第五十二頁，共67頁。區(qū)組編號3動物編號3.13.23.33.4隨機數(shù)19872672序號1423組別ADBC第五十三頁，共67頁。區(qū)組編號4動物編號4.14.24.34.4隨機數(shù)39276753序號2143組別BADC第五十四頁，共67頁。三、重復原則重復是指在相同條件下進行多次實驗或多次觀察，以提高實驗的可靠性和科學性。重復包括三種情形：第五十五頁，共67頁。(1)整個實驗的重復它確保實驗的重現(xiàn)性，從而提高實驗的可靠性。(2)用多個受試對象進行重復它避免了把個別情況誤認為普遍情況，把偶然或巧合的現(xiàn)象當成必然的現(xiàn)象，將實驗結果錯誤地推廣到群體。(3)同一受試對象的重復觀察它保證了觀察結果的精密度。如血壓連續(xù)測3次，以3次的均數(shù)作為最終結果。第五十六頁，共67頁。從統(tǒng)計學而言，重復最主要的作用是估計變異的大小。重復的另一作用就是降低變異的大小，以便在隨機變異的背景中凸顯實質性差異。第五十七頁，共67頁。五、析因設計（第32頁）析因設計是將兩個或多個處理因素的各水平進行組合，對各種可能的組合進行實驗，從而探討各處理因素的主效應以及各處理因素間的交互作用。因為析因設計考慮各因素所有水平的全面組合，故又稱完全交叉分組實驗設計。第五十八頁，共67頁。所謂交互作用是指兩個或多個因素間的效應不互相獨立,當某一因素取不同水平時，另一個或多個因素的效應相應地發(fā)生變化。第五十九頁，共67頁。A因素a1a2B因素b1b2

410713在b1,a2－a1=10－4=6在b2,a2－a1=13－7=6在a1,b1－b2=7－4=3在a2,b1－b2=13－10=3A因素的變化與b1、b2無關，B因素的變化與a1、a2無關，稱A、B無交互作用。交互作用與主效應（二元表）（實驗甲）第六十頁，共67頁。A因素a1a2B因素b1b2

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