第三章 实验设计.ppt

实验设计实验设计概况实验设计的基本原则实验设计的基本内容样本含量的估计常用的实验设计类型 实验设计简介 1935年 Fisher系统介绍研究设计 首次提出研究设计的基本原则 TheDesignofExperiments RAFisher 1890 1962 R A Fisher 1925 系统介绍近代统计学方法TheStatisticalMethodsforResearchWorkers 统计学家与科学研究者的合作应该在实验设计阶段 而不是在需要数据处理的时候 Tocallinthestatisticianaftertheexperimentisdonemaybenomorethanaskinghimtoperformapostmortemexamination hemaybeabletosaywhattheexperimentdiedof R A Fisher 实验研究是指研究者根据研究目的人为地对受试对象施加处理因素 控制混杂因素 观察 总结处理因素的效果的一种研究方法 实验设计是对实验研究所做的周密计划 包括资料的收集 整理 分析全过程 一 实验设计概述 一 实验设计概述 专业设计选题 查阅文献 假说 预试验统计设计 对象 分组 数量 指标 分析方法设计好 1 既省又可靠 2 可估计误差 3 获取多方面知识设计不好 1 杂乱无章 虽多犹无 2 只能罗列现象 无规律可言 好的研究设计应是专业设计与统计设计的有机结合 专业设计 科学性 先进性和实用性统计设计 合理安排实验因素 提高研究质量和效率 有效控制非实验因素影响 保证结果可靠科学 实验设计的特点 将20只患有某种肿瘤的大白鼠随机分为4组 对照组和3个实验组 给予药物干预 比较2周后大白鼠体内肿瘤数有无差异 研究者能主动设置处理因素受试对象接受何种处理因素或水平是随机分配的 实验研究的基本类型 按受试对象分为 动物实验 animalexperiment 临床试验 clinicaltrial 现场试验 fieldtrial 或社区干预试验 动物实验 动物福利的指导准则 3R 原则即替代 Replacement 减少 Reduction 和优化 Refinement 尽可能地用物理 化学等非生命方法 如体外细胞实验 电脑模拟等 来替代动物进行实验 尽可能通过优选实验方案 如通过预实验缩小实验组数 用高质量的实验动物减少各组的动物只数等 以减少所用实验动物的数量 通过改良仪器设备 改善实验操作方法和动物饲养管理条件等来优化动物实验 善待动物 减少对动物的侵扰 临床试验 临床试验是以病人或志愿者为受试对象 评价比较临床干预措施所产生的临床效应有无实用价值的前瞻性实验研究 须考虑两个问题 医学伦理道德 受试者的依从性相比实验室研究 临床试验更易产生偏性 所得到的观测结果更容易受到各种混杂因素的干扰 使干预措施的真实临床效应被夸大或者被掩盖 甚至得出与事实相悖的错误结论 临床试验要求更加周密 严谨 科学的试验方案 实验设计的原则 对照原则随机化原则重复原则临床试验 还涉及均衡性和盲法 有比较 才有鉴别 比较是科学研究手段 而对照又是比较的基础 要研究处理因素与实验效应间的关系 没有对照是不能说明任何问题的 正如统计老前辈们强调的那样 对照的重要性 无论怎么强调 都不过分 对没有对照的研究 最好放弃 无论从历史上 还是从风靡一时的 鸡血 凉水 疗法 或X线照射垂体可引起血压值下降等 如 实验50人照射X线19人对照50人进暗室17人两组照射前后血压测量值差别无统计学意义 一 对照原则 对照的意义1 排除和控制自然变化和非处理因素对观察结果的影响 2 消除或减少实验误差 衬托处理因素的作用 实验组 对照组 比较结果 设立对照应注意的事项1 均衡可比对照组和实验组除所研究的处理因素不同外 其它重要的 可控制的非处理因素应尽可能相同或相近 以此控制非处理因素的干扰 增强可比性2 同步对照组和实验组应处于同一空间和同一时间对照的形式安慰剂对照 空白对照 实验对照 自身对照 标准对照 历史对照 相互对照 1 安慰剂对照对照组使用没有药理作用的 假药 起安慰作用 克服心理因素造成的偏倚 目的是保持对照组与试验组患者的心理作用对疗效评价影响的一致性 以不损害患者健康为前提 口服的安慰剂常为乳糖 葡萄糖 淀粉 维生素等加工而成 注射用的安慰剂多为生理盐水 常结合盲法进行例如 观察某药治疗胃病的疗效 用淀粉作为安慰剂 2 空白对照 例如 实验组儿童接种疫苗 对照组儿童不接种疫苗 试剂空白 血样空白 无酶解空白 底物空白等 特点 简单易行 但容易引起心理差异 从而影响实验效应的测定 对照组不加任何处理因素 常用于动物实验和实验室方法研究临床试验没办法采用其它对照未患病的志愿者 病情稳定不需治疗可痊愈的患者 例如 流行性感冒 近视眼患者 慢性支气管炎 HBsAg携带者难以控制心理因素导致偏性 3 实验对照 施加基础实验条件 在某种有关的实验条件下进行观察的对照 对照组不施加处理因素但施加某种实验因素 含赖氨酸面包 非处理因素 赖氨酸效应 面包效应 非处理因素效应 面包 非处理因素 面包效应 非处理因素效应 赖氨酸赖氨酸效应 面包即为施加的基础实验条件 即实验因素 4 标准对照 以现有的标准或正常值作对照 主要用于临床试验 如伦理上不允许在患者身上采用空白对照或假干预 如新药研究采用目前疗效最好的药物作为对照药 例 新方法与传统方法 患者生理 生化指标与正常人生理 生化指标 实验室应用较多 5 自身对照 在同一受试对象上进行前后对照 对照与实验在同一受试对象身上进行 平行对照 身体对称部位交叉对照 同一受试对象在实验前后两阶段分别接受不同的处理因素 特点 简单易行 使用广泛 假定试验前后某些环境或自身因素保持不变 Internet 6 相互对照 inter control 几个实验组互相作为对照 例如 比较几种药物治疗同一疾病的疗效 7 历史对照 以过去的研究结果作对照 与本人或他人过去的研究结果作比较 要求研究因素表现性非常强 而干扰因素非常弱时使用 不好 设立对照存在的问题 1 对照不足若试验中涉及多个实验因素时 仅有一个空白对照可能就会出现对照不足的情况 2 对照不当 历史对照 时间不同步 和中外对照 空间不同步 3 对照多余某些已经验证为有效的药物不必再设对照 案例分析 银屑病发病与血型的关系探讨 某研究者对64例银屑病患者进行血型观察 其中O型血30例 A型17例 B型17例 AB型为0例 可见O型血与银屑病关系密切 缺乏必要的对照组 正常人的血型分布 比较 某人在研究某药物治疗铅中毒的驱铅效果时 设计了如下的实验 对收集的实验资料进行统计分析后 原作者认为 此药有明显的驱铅作用 规定实验组适应症为 破膜和总产程都不超过24小时 无感染 无阳性体征 血常规正常 以及第一胎产后本人同意放置宫内节育器者 另将筛选剩下的827例作为对照组 不放置宫内节育器 本例 两组除处理因素 放置节育环 不同 受试对象的基本条件也不同 试验组较好 而对照组差 缺乏可比性 剖腹产同时放置宫内节育器735例的初步观察 将施行剖腹产手术1562例中的735例作为实验组 在剖腹产的同时放置宫内节育器 比较两组被观察对象的术后出血 恶露干净时间和术后副反应等情况 二 随机化原则 指每个受试对象有同等的机会被抽取或分到不同的试验组和对照组 它使不可控制的混杂因素在试验组和对照组的影响相当 随机与随意随机 random机会均等 客观性随意 aswill随主观意愿 主观性对照是对付可以控制的主要的非处理因素随机化分组是对付不可控制的未知的混杂因素 抽样的随机 代表性每个符合条件的受试对象被抽取的机会相等 分组的随机 均衡性每个受试对象被分到各组的机会相等 实验顺序的随机 平衡顺序的影响每个受试对象先后接受处理的机会相等 随机的三个含义 随机化的实施 如何进行随机分配 抽签掷硬币随机数字表计算机产生伪随机数 随机吗 临床医师常常根据患者来医院就诊的顺序对他们进行分组 即将先来的10名患者分入对照组 中间来的患者分为A药治疗组 将最后来得10名患者分为B药组 这样分组合适吗 多中心试验中 一个医院 医师 专门收集治疗组 另一医院 医师 专门收集对照组预先安排按患者的生日单双号或就诊的单双号 或者就诊的先后交替安排进入实验组或对照组 1 完全随机方法将观察单位完全随机地分配到实验组与对照组或几个对比组中去 随机数字表内数字相互独立 全部数字无论从横行 纵行或斜向等各种顺序均呈随机状态 因此 使用时可从任何一个数字开始 按任意一个顺序录用 方法 1 编号2 产生随机数字3 归组 两种常用随机化方法 1 应先把受试者按体重由小到大编号 2 然后从随机数字表任意一处查出12个随机数 遇到相同的随机数则去掉 如从 随机数字表 第35行第1列向右查 3 并将随机数由小到大编秩 秩次R 令R为1 6者分入甲组 R为7 12者分入乙组 也可按奇偶 动物编号123456789101112随机数字699206341359717417322755秩次R912162810113547分组结果乙乙甲甲甲乙乙乙甲甲甲乙 例如 拟将12只大鼠随机分入甲 乙两组 每组6名 例 设有同性别的动物12只 要求用随机方法将其分为甲 乙两组 1 编号 按动物体重依次编号为1 2 3 12号 2 产生随机数字 对于每一个编号 依次由计算器 计算机 产生随机数 共12次 3 归组 事先规定将较小随机数的6只动物分入甲组 其他6只动物分入乙组 34 例某医生为了研究一种降血脂新药的临床疗效 按统一纳入标准选择120名患者 采用完全随机设计方法将患者等分为4组进行双盲试验 问4个处理组患者的低密度脂蛋白含量总体均数有无差别 35 1 编号 120名高血脂患者从1开始到120 见表第1行 2 取随机数字 从附表中的任一行任一列开始 如第5行第7列开始 依次读取三位数作为一个随机数录于编号下 见表第2行 36 3 编序号 按数字从小到大 数据相同则按先后顺序 编序号 见表第3行 4 事先规定 序号1 30为甲组 序号31 60为乙组 序号61 90为丙组 序号91 120为丁组 见表第四行 某些重要的混杂因素在各组分配尽可能相等患者入选时 首先确定属于那一层 各层内随机分配多个混杂因素各层分级数不易过多例如 赛替派治疗乳腺癌疗效的研究 有无淋巴结转移 年龄 是否绝经 会干扰疗效 淋巴结转移 是 否 年龄 50 50岁 交叉分层为4个层层内随机分配至赛替派或安慰剂组 分层随机化 例拟对比A B C三种方法治疗乙型脑炎的疗效 将受试者入院时间 季节 作为配比因素 将入院时间相邻的三位患者作为一个区组 试分配处理 每个受试者取一个2位随机数 且按区组分别排列 序号1 2 3分别对应处理A B C 各区组的随机排列结果如下 1 将同窝大白鼠作为一个区组 单位组 2 给同窝中3只大白鼠编号 3 给区组内每个大白鼠一个随机数 规定随机数小者分到甲组 中等分到乙组 大者分到丙组 4个区组大白鼠随机排列结果 例 以大白鼠的窝别为配伍因素 将12只大白鼠分为3个处理组 三 重复原则 通过随机抽样与分组 已经很大程度上抵消了非处理因素造成的偏差 但由于存在个体变异 因此需要通过增加样本含量来见效样本均数的标准误从而降低抽样误差 无限地增加样本含量 将加大实验规模 延长实验时间 浪费人力物力 反而增加系统误差出现的可能性 样本含量不足 检验效能 Power 1 偏低 总体参数之间原本有差异也无法检验出来 重复包括三种形式 1 整个实验的重复 实验的重现性 2 用多个受试对象进行重复 样本含量 3 同一受试对象的重复观察 观测结果的精度 案例分析 重量法测定血苯 白蛋白加合物的研究中 用GCMS测定血液中的血苯 白蛋白加合物 由于采用昂贵的仪器和同位素内标物 在一般实验室难以进行 本研究采用重量法测定并与GCMS法进行比较 同一标样用GCMS测3次 用重量法测7次 结果分别为1 9 0 1和2 0 0 1 mg ml 经t检验 平均值间的差异无统计学意义 P 0 05 误用重复取样替代重复试验 样本含量大小的估计 影响样本含量大小的因素资料的性质 计量资料的样本可以比计数资料少误差的大小样本的均衡性处理因素效应的强弱统计学的要求第一类错误的概率a检验效能1 b总体标准差 所比较的两个总体参数间的差值 实验设计的基本步骤 确定实验目的确定研究对象确定可比的实验组和对照组确定把受试对象分配到各组的原则确定样本含量确定方法和指标控制误差和偏倚 第二节实验设计的基本内容 实验设计的基本要素 一 受试对象 二 处理因素 三 实验效应观察某药物的降压效果 采用阳性对照处理 服用试验药 对照药 一个处理因素 两个水平 对象 原发性 轻 中度高血压效应 收缩压 舒张压的下降值 降压药 高血压病人 血压值 其他因素 其他效应 一 受试对象 处理因素作用的客体选择 动物实验 动物临床实验 患者社区干预实验 正常人群要求 对处理因素敏感反映必须稳定 同质性 动物 种类 品系 窝别 体重等患者 诊断明确 性别 年龄 病情 病程 依从性等正常人 民族 职业 文化程度 经济状况受试对象影响因素的控制季节 温度 湿度 生活环境 嗜好 试验辅助措施等 一般临床上对受试对象要明确其纳入标准和排除标准 纳入标准包括对疾病的定义 疾病的分类与分型 对受试对象人口学特征的定义 如年龄 来源等 对研究条件的定义 如依从性 是否住院 经济能力等 排除标准包括对处理措施的禁忌症定义 须排除的并发症病例等 冠心病治疗试验中 冠心病的诊断标准是冠状动脉造影 纳入标准 30 65岁 2009 1 2010 1在参加试验的若干医院冠状动脉造影新确诊的病人 剔除标准 做过心脏手术 有严重的肾 脑并发症 病人不愿意签署参加试验的知情同意书者等 二 处理因素 根据研究目的确定的欲施加或欲观察的 并能引起受试对象直接或间接效应的因素 可以是生物的 化学的或是物理的可以是主动施加的或是客观存在的各因素在数量和强度上可有不同 分单 多 因素 单 多 水平非处理因素 对实验结果有影响的干扰因素也称混杂因素 控制 平衡 例 电针引产 研究因素 产妇状况 产妇状况成功失败合计成功率初产42817660470 9 经产1283916776 6 P 0 145 例 电针引产 混杂因素 胎膜状况 胎膜状况成功失败合计成功率已破3188039879 9 未破23813537363 8 P 0 000 例 电针引产 混杂因素在两组的分布胎膜产妇状况已破未破已破率初产33127354 80 经产6710040 12 P 0 001 例 电针引产 混杂因素不同状态时 研究因素的分析 胎膜产妇状况例数成功成功率P已破初产33125877 9 0 030经产676090 0 未破初产27317062 3 0 332经产1006868 0 常见的混杂因素 年龄 性别病程 病情疾病史 家族史 伴发疾病职业 工种年龄 性别 种系 体重 窝别 举例 研究降压药物对高血压患者的治疗效果研究因素 降压药影响因素 年龄 性别 病情 生活习惯 现患疾病 职业等不同民族某基因表达与宫颈癌预后的关联研究因素 民族 基因表达影响因素 年龄 病史 类型 淋巴结转移 治疗 对混杂因素的处理 采用良好的设计 排除 平衡 将混杂因素作为一个实验条件加以控制 即把它控制在不起作用的水平上或使各组处于同一水平上 平衡法 如患者的病情严重程度常常是影响药物疗效判定的一个混杂因素 若试验组与对照组患者的病情严重程度分布是均衡的 则两者在病情严重程度这个因素上就是可比的 转为实验因素 有时将明显的混杂因素就作为一个实验因素来对待 对混杂因素的处理 设计时考虑 改为修饰因素 协变量 在资料分析阶段用统计学手段控制 在实验中无法控制的混杂因素 可先记录下来 在资料分析时采用统计学手段来调整 标准化法分层分析协方差分析多元回归分析等 确定处理因素时应注意的事项 1 抓住实验中的主要因素 2 明确处理因素和非处理因素病人对治疗的反应除了治疗因素外 还包括病人的心理状态 生产 生活条件及社会心理因素等 后者可称为非处理因素 3 处理因素须标准化处理因素在整个试验过程中保持不变药品 成分 用法 用法 厂家 批号等监测方法 具体方法 原理 操作常规仪器 名称 产地 型号 精密度等实验条件 明确规定要控制的条件观察时间 统计具体的观察时间手术操作者熟练程度 三 实验效应 处理因素作用于受试对象的反应 通过各项指标反映 计数指标 如有效 无效 阴性 阳性计量指标 可测量的 如检验指标指标的选择要求1 关联性 指标是否有针对性 必须与研究目的密切关联 是研究要回答的重要问题 2 客观性 尽量选择客观强的定量指标 通过测量和检验得到的指标是客观指标 受试者回答或医生自己判断的是主观指标 一些表明看来是客观的 却带有主观性 如x光片 心电图 选择效度 信度和灵敏度 精确性均高的指标 准确度 观察值与真值的接近程度 越接近则会越准确 精密度 重复观察时 观察值与其平均值的接近程度 S越小精密度越高 3 精确性 4 指标的观察避免偏性 研究者 医护人员 受试者因此采用盲法 单盲 受试者双盲 受试者 医护人员三盲 受试者 医护 统计人员对于危急和重症病人不能采用盲法 第三节常用的实验设计类型 完全随机设计将受试对象随机的分配到试验组与对照组或几个对比组中 每组例数可以相等 称平衡设计 也可以不等 称非平衡设计 平衡设计的检验效率较高 推荐使用 优点 设计简单 易于实施缺点 没有考虑个体差异 组间均衡性较差要求样本含量较大 一次实验只能分析一个因素 配对设计将受试对象按配对条件配成对子 每对中的个体接受不同的处理 配对的因素是非处理因素 优点 改善处理组间的均衡性 提高试验效率 缺点 配对欠佳时 反而会降低效率 1 同源配对 自身配对 同一受试对象用两种不同的实验方法 受试对象自身左右或者实验前后的对比 2 非同源配对 异体配对 将具有相同条件的实验对象配成对子 例 将已按近似条件配好的10对小白鼠 用随机方法分配到实验组和对照组 1 编号 对小白鼠进行对子编号 同时每个对子内的二只小白鼠也分别编号 2 产生随机数字 对于每一组合编号 依次由计算器 计算机 产生随机数 共20个 3 归组 对子内两只小白鼠的随机 事先规定每个对子内随机数字较小者分配到对照组 随机数字较大者分配到实验组 实际上是配对设计的扩展 1 将多方面条件相近的受试对象配成一组 称作一个区组 2 每个区组的受试对象个数取决于对比组组数 3 每个区组的受试对象被随机地分配到各对比组中 A接受甲处理实验对象 配成区组 随机分配区组中B接受乙处理C接受丙处理D接受丁处理 随机区组设计 交叉设计它是在自身前后配对设计的基础上发展起来的它可在同一病人身上观察两种或多种处理因素的效应 设计 随机分组 1组先A后B2组先B后A 阶段 阶段 纳入标准阶段 阶段 交叉设计 1组 2组 交叉设计应该注意的主要问题 1 基本前提各处理方式不能相互影响 处理之间应有适当的间隔 清除阶段 两次观察的时间不能过长 处理效应不能持续过久 一般不小于药物的5个半衰期2 不适宜于具有自愈倾向或病程较短的疾病研究 优点 节约样本含量 能够控制个体差异 减少误差缺点 处理时间不能太长 受试对象中途退出或状态发生变化造成数据缺失 例 某研究者拟采用交叉设计观察A B两种药物治疗18例高血压病患者的疗效 1 编号 将受试者分别编号为1 2