实验设计 统计学

1 第 十 三 章 医 学 科 研 设 计 y中山大学公共卫生学院 医学统计与流行病学系 林爱华 2 统计工作有四个基本步骤 : 设计、搜集资料、整理和分析资料。 统计设计： 包括对资料收集 、 整理和分析 全过程 总的统计设想和科学安排 。 可节省人力 、 物力和时间；可控制实验误差；可提高实验效率 。 科研设计是实验观察过程的依据 ， 是对数据处理的前提 ， 也是提高科研成果质量的一个重要保证 。 医学科研 调查研究 (survey， observational study) 实验研究 (experimental study) 3 根据观察者是否主动施加干预而分为实验与调查两类： 实验 （ Experiment） ：指由研究者 主动 地决定给予部分实验对象某种处理 ， 给予另部分对象某种对照处理的研究设计形式 ，这种处理的分配常常是随机的 。 调查 (Survey)：指对特定对象群体进行调查 ， 影响被调查者的因素是客观存在的 ，研究者只能 被动 地观察和如实记录 。 4 y 第一节 医学科研设计的基本原则 第二节 实 验 设 计 第三节 调 查 设 计 5 第一节 医学科研设计基本原则 一、 对照的原则 二、 均衡的原则 三、 随机的原则 四、 重复的原则 6 一、对照的原则 有比较才有鉴别 。 对照的意义 ： 指设立对照组以排除非处理因素而显示出处理的效应。 药物治疗 例 : 老年性慢性支气管炎 气候 转暖 ,自然缓解 消除和减少实验误差 。 处理组： 对照组： 比较结果： 处理因素 非处理因素 + 处理效应 + 非处理效应 非处理因素 非处理效应 处理因素 处理效应 7 对照的形式 (一 )空白对照 (二 )实验对照 (三 )标准对照 (四 )自身对照 (五 ) 相互对照 8 (一 )空白对照： 对照组不加任何处理因素 。 例 ： 实验组儿童接种疫苗 ， 对照组儿童不接种疫苗 。 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。 9 (二 )实验对照： 施加基础实验条件 （ 非处理因素 ） 。 例 ： 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 10 (三 )标准对照： 以现有的标准或正常值作对照 。 例 某种新的方法能否代替传统方法的研究； 某病患者与正常人同一项生理、生化指标对照等。 注意 ：实验条件应一致 。 标准组应能代表当时疗法的水平。 11 (四 )自身对照： 在同一受试对象上进行 。 特点： 简单易行，使用广泛。但若试验前后某些环境或自身因素发生改变，并且会影响试验结果，就难以说明问题。 (五 ) 相互对照 ： 几个实验组互相对照 。 例 ：比较几种药物治疗同一疾病的疗效 。 12 二、均衡的原则 指实验组与对照组的 非处理因素均衡一致 。即对照组除了处理因素外 ， 其它条件应与实验组完全一致和基本一致 ， 即所谓保持实验条件的 均衡 或 齐同原则 (balance)。 均衡性越好越能显示出处理因素的作用 ， 消除非处理因素对结果的影响 。 13 例 ：试用 ADI药物预防肠道传染病的效果观察设计 。 方案一： 甲幼儿园 (100人 ) 服 ADI， 肠道传染病 乙幼儿园 (100人 ) 不服 ADI，肠道传染病 分析：甲乙幼儿园的非处理因素 （ 食堂卫生条件 、 儿童卫生习惯 ） 如不相同 ， 则不均衡 。 14 甲幼儿园 （ 100人 ） 服 ADI（ 50人 ） 不服 ADI（ 50人 ） 乙幼儿园（ 100人） 服 ADI（ 50人） 不服 ADI（ 50人） 方案二： 15 非处理因素 在 动物实验 中 ， 应考虑动物的 来源 、 种属 、 性别 、 原始体重 、 健康状况 尽量相同或相近 ， 给药途径 、 饲养条件 、 麻醉程度 、 消毒情况 、 术后护理 等也应一致 。 在 临床试验 中 ， 患者的诊断必须准确可靠 ， 要考虑 年龄 、 性别 、 体质 、 病情 等因素的影响 ， 应力求均衡或接近 ， 还有 疾病分型 、服药时间 、 疗效标准 等必须一致 。 16 三、随机的原则 在实验中 ， 许多混杂因素是没办法完全达到均衡的 ， 而且许多因素事先无法预知会影响实验结果 ， 也就未能在设计时加以控制 。 这些因素在组间的均衡就依赖于随机化来保障 。 17 随机化原则 (randomization)： 随机 “ 随便 ” , 指每个受试对象以 机会均等 的原则随机地分配到试验组和对照组 。 目的 ：使各组非实验因素的条件均衡一致 ，以消除对实验结果的影响 。 18 随机化方法： 1) 抽签 ：简便易行 ， 适用小样本 。 2) 用随机数字表和随机排列表 。 随机数字表常用于抽样研究及分组随机化；随机排列表适用于分组 、 排列等的随机化 ， 且各组不用调整 。 3) 用计算器或计算机 。 19 四、重复的原则 重复 (replication)：指各处理组与对照组的例数要有一定数量 ， 表现为实验例数（ 样本含量 ） 的大小和重复次数的多少 。可防止偶然性或巧合的现象 。 要求 ：必须在保证实验具有一定的可靠性条件下 ， 确定最少的试验例数 。 20 决定样本含量的四要素： 第一类错误的概率 ，即检验水准。 检验效能 1-。 容许误差 。 总体变异度 。 21 样本含量估计 第一类错误的概率 ， 即检验水准 。 越小 ， 所需样本含量越多 。 一般取 =0.05， 还应明确单双侧 。 22 检验效能 1-。 为第二类错误的概率 ， 即 H0为假 ， 但错误接受它的概率 （ 假阴性 ） 。 1-表示在特定的 水准下 ， H1为真时检验能正确发现的能力 。 1-越大 ， 所需样本含量越多 。 通常取 =0.1或 0.2， 即 1-=0.9或 0.8， 一般 1-不能低于 0.75。 23 样本含量估计 容许误差 ： 相比较的两个总体间某参数的差别所允许的限度 ， 如 =1-2， 或 =1-2。 越小 ， 所需样本含量越多 。 一般用希望发现或需控制的样本和总体间或两个样本间某统计量的差别所代替 。 的确定： 可作 预实验或用专业上有意义的差值代替 。 24 总体变异度 。 越大 ， 所需样本含量越多 。 通常根据 预实验 、 查阅文献和专业知识 判断 。 25 第二节 实验设计 一、 实验设计的意义 二、 实验设计的特点和分类 三、 实验设计的基本要素 四、几种常用的实验设计方法 26 一、 实验设计的意义 通过良好地计划对象的选择 、 处理因素的分配 、 结果指标的测量和资料分析来保证比较组间对象和实验条件是均衡的 ， 实验结果有较好的可比性 ， 并且较好地控制误差以能用较小的样本获取可靠的结论 。 27 二、实验设计的特点和分类 1. 实验研究的特点： 研究者可以安排处理因素 (研究者是主动的 )； 受试对象是否接受处理是随机的； 研究者可控制混杂因素以减少误差 （ 齐同 ） 。 28 2. 实验研究的分类： 动物实验 (animal experiment)： 对象 动物；如致畸试验 ;食物毒理学试验 临床试验 (clinical trial)： 对象 病人；如化疗治疗淋巴性白血病 社区干预试验 (community intervention trial) 对象 一般人群；如加氟 、 加碘 29 三、实验设计的基本要素 降压药 高血压病人 血压值 处理因素 受试对象 实验效应 30 处理因素 (study factor， treatment) 处理因素 ：研究者根据研究目的欲施加或欲观察的 ， 能作用于受试对象并引起效应的因素 。 非处理因素 ：相应的也能使受试对象产生效应的因素 ， 又称混杂因素 (confounding factor)。 31 处理因素 (study factor， treatment) 1. 抓住主要因素 ：确定几个主要的关键性因素 。 既要考虑到主要因素 ， 又要考虑因素的水平 。 2. 找出非处理因素 ， 并加以控制 。 如： “ 性别 ” 、 “ 年龄 ” 。 均衡方法：两组构成一致 。 控制方法：规定年龄段 。 3. 处理因素要标准化 。 保证处理因素在整个实验的过程中始终如一 ，保持不变 。 如在实验过程中实验药物的批号 、 剂量应当一致 。 32 受试对象 (study subjects) 可分为 动物实验 与 人体观察 两种 。 实验前必须对受试对象作严格规定 ， 保证其 同质性 。 1. 动物的选择 ：要考虑动物的种类 、 品系 、 以及年龄 、 性别和体重以及营养状况等 。 2. 人的选择 ：分病人和健康人 。 病人的选择应当诊断明确 、 依从性好 ， 能真实可靠地反映主观感觉 。 33 实验效应 (experimental effect) 是处理因素作用于受试对象后的反应和结果 ，通过 观察指标 表达 。 1. 客观性 ：主观指标和客观指标 。 2. 精确性 ： 准确度 (accuracy)：观察值与真值的接近程度 ， 受系统误差的影响 。 精密度 (precision)：重复观察时观察值与其均值的接近程度 ， 受随机误差的影响； 34 实验效应 (experimental effect) 准度和精度都好 准度差精度好 准度好精度差 准度和精度都差 35 实验效应 (experimental effect) 3. 灵敏性 (sensitivity)： 表示指标检出 真阳性 的能力 ， 可减少 假阴性 率 。灵敏度较高 ， 就能使处理的效应较好地显示出来 。因此 ， 受试者 、 测量仪器及方法都应是灵敏的 。 4. 特异性 (specificity)： 表示指标检出 真阴性 的能力 ， 特异性较高 ， 不易受混杂因子干扰 ， 减少 假阳性 率 。 36 四、几种常用实验设计方法 完全随机设计 配对设计 配伍组设计 交叉设计 盲法设计 37 方法 ：将受试对象随机的分配到各个处理组 ， 或从不同的总体中随机抽样进行对比观察 。各组例数相等时效率较高 。 完 全 随 机 设 计 (completely random design) 38 处理组 （ 接受新药 ） 观察结果 实验对象 随机化分组 对照组 （ 接受常规药 ） 观察结果 对照组 （ 安慰剂 ） 实验对象 随机化分组 处理组 （ A药 ） 处理组 （ B药 ） 处理组 （ C药 ） 39 随机化方法： 例 13-4 试将 10头动物应用 随机排列表 分配到甲 、 乙两组 。 按动物体重编号 。 从表 13-1随机排列表 第 3行查随机数 ， 舍去 1019。 定单号为甲组 ， 双号为乙组 。 动物编号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 随机数字 1 2 0 3 8 7 4 5 9 6 组 别 甲 乙 乙 甲 乙 甲 乙 甲 甲 乙 40 随机化方法： 例 13-5 试将 15只动物随机分配到甲 、 乙 、 丙三组 。 按动物体重编号 。 从表 13-1随机排列表中随机指定第 21行 ， 舍去 15 19， 将 0 14数字依次录于动物号下 。 0 4者分入甲组 ， 5 9者分入乙组 ， 10 14者分入丙组 。 动物编号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 随机数字 12 13 8 4 7 0 11 1 5 14 3 6 10 9 2 组 别 丙 丙 乙 甲 乙 甲 丙 甲 乙 丙 甲 乙 丙 乙 甲 41 完全随机设计 优点 ：设计简单 ， 统计分析简单 ， 应用广 。 缺点 ：只能分析一个因素 ， 效率不太高 。混杂因素多 ， 难以控制 ， 灵敏度不及配对试验 。 42 统计分析方法： 计量资料：两组 -t检验 、 u检验 或 秩和检验 多组 -方差分析 或 秩和检验 计数资料：两组 - 2检验 、 u检验 多组 - 2检验 等级资料： - 2检验 或 秩和检验 43 方法 ：把受试对象按一定条件配成对子 ，再随机将每对中的受试对象分配到不同组 。 配对因素 -影响实验效应的 主要非处理因素 ， 以提高组间均衡性 。 自身配对 和 异体配对 。 配对设计 (paired design) 44 A 接受新药 实验对象 配成对子 随机分配对子 B 接受常规药 45 例 13-6： 8对受试者 ， 试随机分入甲 、 乙两组 。 将受试对象编号 。 随机排列表 13-1， 第 2行 ， 舍去 8 19。 规定单数为甲 、 乙 ， 双数为乙 、 甲 。 配对设计 受试者号 1.1 1.2 2.1 2.2 3.1 3.2 4.1 4.2 5.1 5.2 6.1 6.2 7.1 7.2 8.1 8.2 随机数字 7 6 2 5 0 1 4 3 处 理 甲乙 乙甲 乙甲 甲乙 乙甲 甲乙 乙甲 甲乙 46 配对设计的优点 ： 1. 配对设计可以 降低个体变异 。 在同样的样本含量条件下 ， 采用配对检验比两样本检验更容易获得有统计学意义的结果 。 2. 由于采用配对设计 ， 可以作到严格控制非处理因素 ， 使实验组与对比组具有 齐同可比性 。 3. 采用配对设计方法可以 减少样本含量 ， 它是临床科研中常用的一种高效率的实验设计 。 配对设计 47 缺点： 1.在实际工作中 ， 配对条件不能过多 、 过严 ，否则 ， 难以按要求将实验对象配成对子 ， 尤其是在临床工作中 。 2.自身配对实验只适用于短期对比或急性实验 ，不适用于长期观察分析 。 配对设计 48 统计分析方法 ： 计量资料： -配对 t检验 或 秩和检验 计数资料： -配对 2检验 49 又称随机区组设计 。 相当于配对的扩展 ， 即将几个受试对象按一定条件 配成区组 ， 再将每一区组的受试对象随机分配到各个处理组中 。 配伍组设计 (randomized block design) 50 A 接受甲处理 实验对象 配成区组 随机分配区组 B 接受乙处理 C 接受丙处理 D 接受丁处理 51 优点 ： 每个区组内的实验单位有较好的同质性 ， 更易察觉出处理间的差别 。 该设计均衡性好 、 误差减低 ，可以提高效率 ， 统计分析也较简单 。 缺点： 不能分析交互作用 ， 另外如果一个区组内的观察对象发生意外时 ， 则只好放弃整个区组或不得已而采用缺项估计的方法进行统计分析 。 配伍组设计 52 统计分析方法 -随机区组设计的方差分析 随机区组设计的秩和检验 53 在临床试验中 ， 研究者或受试者均可给实验效应带来影响 ， 造成偏倚 （ bias） 。 盲法设计分 单盲 和 双盲 法 。 单盲法 是让受试者不知道自已接受何种处理； 双盲法 是受试者和实验者都不知受试者接受何种处理 。 (四 )盲法设计 （ blindness design） 54 安慰剂 常与双盲法配合使用 ， 它是清除安慰作用的一种有效方法 。 保密 是盲法的关键 。 55 第三节 调查设计 一、调查设计意义及应用 二、调查设计内容 三、调查方法 56 一、调查设计的意义及应用 医学研究 向分子水平发展 向群体水平发展 调查是根据预定目的 ， 采用科学的方法 ， 有组织有计划地向客观实际搜集统计资料的工作过程 。 57 临床：了解疾病的分布 、 危害及有关因素等 ，以指导治疗 、 预防复发 。 例如龋齿 、 心血管病 、 泌尿系结石 、 近视 、 老年性白内障 、 婴幼儿死亡等调查研究 。 卫生：了解人群的健康状况 ， 研究环境因素的致病和保护作用 。 常用的调查： 居民健康调查；流行病学调查；病因学调查； 临床远期疗效观察；卫生学调查等。 58 调查研究的特点： 观察因素不受人为干预 ， 是客观存在的 。 如河南林县与广东省中山市食管癌死亡情况比较 。 “ 混杂因素 ” 难以控制 （ 如年龄 、 性别等 ） 。 许多因素是未知的 （ 如咸蛋 、 酸菜等 ） 。 59 二、调查设计内容 调查设计是调查研究工作的先导和依据 ， 是调查结果准确可靠的依据 。 包括 资料收集 、 整理与分析 全过程的统计设想和科学安排 。 1. 调查目的： 了解参数：例：食管癌的病情及地理分布； 研究变量间的相关联系 、 探索病因 。 2.调查对象： 划清调查总体的同质范围 、 时点 。 3.调查范围： 时间范围 、 空间范围 、 数量范围 。 60 4.观察单位： 一个人 、 一个家庭 、 一个集体等 。 5. 调查表 (questionnaire) 根据调查指标确定对每个观察单位的调查项目 。 分析项目 ：直接用于计算调查指标 ， 以及分析时排除混杂因素影响所必须的内容 。 备查项目 ：为了保证分析项目填写得完整 、正确 ， 便于核查 、 补填和更正而设置的 。 61 例： 了解农村卫生人力情况： 分析项目：乡镇医生年龄 、 文化程度结构 、年龄 、 文化程度等 。 备查项目：姓名 、 性别 、 出生年月等 。 把调查项目按提问的逻辑顺序列成表格 ， 供调查时使用 ， 就是调查表 ， 或称问卷 。 62 搜集资料的方式：直接观察法和采访法 。 直接观察法： 调查者直接对调查对象进行测量 、 观察 、 检查或计数来取得资料 。 采访法： 是根据被调查者的回答来收集资料 。 访问 开会调查 信访 63 三、调查方法 1. 普查 2. 抽样调查 3. 典型调查 4. 病例对照研究 5. 定群研究 64 1. 普查 (全面调查， overall survey） 将组成总体的所有观察单位全部加以调查 。 没有抽样误差 、 但往往系统误差较大（ 工作量大 、 问题多 、 工作质量难保证 ） 。 65 2. 抽样调查 (sampling survey) 从总体中随机抽取一定数量的观察单位组成样本 ， 然后用样本指标估计总体特征 。 抽样研究节省人力 、 物力和时间 ， 可获得细致和准确的资料 ， 值得提倡和推广 。 但调查设计 、 实施及资料分析较复杂 。 66 随机抽样方法：怎么抽 1. 简单随机抽样 （ simple random sampling） 要求每个观察单位有同等概率被选入样本 。先编号 ， 再用随机数字表等方式抽样 。 优缺点： 计算简便 ， 但当总体例数较多时 ，实施困难