实验科研设计

1、实验研究设计,实验研究特点,能够较好地控制非处理因素的影响，避免,人为造成的偏倚，使比较组间具有均衡性和可,比性；,但小样本时，不能保证非处理因素在组间有,较好的均衡性和可比性。若所采用的处理对人,群有害或不利，随机分组会导致伦理学问题。,一、实验研究的基本要素,实验研究目的：,就是要阐明某种或某些处理因素,对研究对象产生的效应。,三要素：处理因素,受试对象,实验效应,如某降糖新药对,II,型糖尿病病人的降糖效果的研究，其三,要素？,任何一项实验研究在进行设计时，应首先明确这三个要素，,再根据它来制定详细的研究计划。,处理因素,(study factor,，,treatment),是指外部施加

2、的因素，即研究者采用某种方法或手段对研究,对象的处理。如药物、手术方法、染毒等。,（,1,）抓住主要处理因素：,单因素、多因素、二水平、多水平等；,（,2,）区分处理与非处理因素：,非处理因素常常干扰了处理因素,与效应间关系的观察与分析。需结合专业、一定的经验来判断；,（,3,）处理因素必须标准化：,如强度、频率、持续时间和施加方,法等；临床上，药品的性质、成分、批号、保存方法等；手术,或操作的熟练程度等。,受试对象,(study subjects),对受试对象必须有严格的规定，即明确其纳入标准和排除标,准，以保证其同质性和代表性，使研究结果具有普遍性和推广价,值。,选择受试对象应满足两个基本

3、条件：一是对处理因素敏感；,二是反应必须稳定。,动物实验：动物。,应注意种类、品系、年龄、性别、体重、,窝别和营养状况等；,临床试验：患者。,明确诊断，依从性好,；,现场试验：正常人群。,明确同质范围。,实验效应,(experimental effect),处理因素作用于受试对象的结果，通过观察指标表达。观,察指标应客观、精确、灵敏、特异。,客观性：,主观指标和客观指标衡量。主观指标具有随意性和,偶然性；而客观指标具有较好的真实性和可靠性。应尽量选,用客观、定量的指标。,精确性：,准确度,(accuracy),或真实性（,validity,）：观察值与真,值的接近程度，受系统误差的影响；,精确

4、度,(precision),或可靠,性（,reliabiliy,）或重复性（,repeatability,）：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。,特异性和灵敏性：,特异度,（,specificity,）,表示该指标能鉴别,真阴性的能力，特异度高的指标最易揭示处理因素的作用，,不易受混杂因素的干扰；,灵敏度,（,sensitivity),表示该指标检,出真阳性的能力，灵敏度高的指标能将处理因素的效应更,好地显示出来。,如研究某药治疗缺铁性贫血的效果，既可选用临床症状、,体征，也可选用血红蛋白含量等作为观察指标，但这些指,标均不够灵敏，只有在缺铁比较明显的情况下才有较大变,动

5、。若选用血清铁蛋白作为观察指标，则可敏锐地反映出,处理因素的效应。,效应观察偏倚：,主要针对临床试验设计。有时会出现实验效,应的观察带有偏性。如研究者往往关注阳性结果，医生常偏于,新疗法组，而病人则对新疗法持怀疑态度等。,采用,盲法,(blind,me-,thod),设计可控制这种偏倚。,单盲法,(single,blind,method),：,受试对象不知道自己分在哪一,组；,双盲法,(double,blind,method),：,受试对象和实验执行者均不知,道受试对象分在哪一组；,三盲法,(triple,blind,method),：,若受试对象、实验执行者和数,据采集或分析人员均不知道受试

6、对象分在哪一组。,二、实验设计的基本原则,对照（,control,）,随机化（,randomization,）分组,重复（,replication,）,对照的原则,对照是实现均衡性的重要手段，是体现实验效应的关,键所在。其作用在于：,区分处理因素与非处理因素的效应。,消除和减少实验误差。,例,:,老年性慢性支气管炎,气候转暖,自然缓解,药物治疗,对照的基本形式,空白对照,(blank,control),：,对照组不加任何处理因素。,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、底物空白等。,特点：,简单易行，但容易引起心理差异。,安慰剂对照,(placebo contro

7、l),：,对照组给予一种无,药理作用的“假药”，其外观与试验药物一样，但它,不含试验药物的有效成分。,特点：,必须采用盲法设计，首先不能为受试对象所识,别,。,避免心理因素所形成的偏倚，起控制安慰作用。,实验对照,(experimental,control),：,使对照组也同样,具备施加因素的作用。,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,标准对照,(standard,control),：,以现有的标准或正,常值作对照。,如某种新的方法能否代替传统方法的研究；,某病患者与正常人的

8、某生理、生化指标是否相同。,实验室应用较多,自身对照：,实验在同一受试对象上进行。指同一,研究对象不同的时期或阶段作为对照。,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。,相互对照,：,几个实验组互相对照,如比较,几种药物,治疗同一疾病的疗效,历史,对照,：,又称文献对照或回顾对照。以本,人或他人的过去研究资料与该次试验结果比较,作为对照。,历史对照要特别注意比较材料的均衡性。一般较,少采用这种对照方法。,随机化分组的原则,使每个受试对象都有同等的机会被抽取或分到不同,的实验组和对照组。是进行统计推断的前提。,目的是使,各组非实验

9、因素的条件均衡,一致，以消除,对实验结果的影响。,随机化在研究设计中是必须遵循的原则，根据不同资,料的设计类型可分为几种不同的方法。,完全随机设计,(completely random design),又,称简单随机分组设计,(simple,randomized,design),。,是将同质的受试对象（随机样本）随机地分配到各处,理水平组。是一种考察单因素两水平或多水平的实验设计,方案。,优点：,设计与统计分析简单。每组例数相等，也可不,相等。,缺点：,要求样本含量相对较大，混杂因素在各组均衡,性往往较差。,随机化分组方法：,直接对受试对象进行分组，即完全随机化。分组后各组,受试对象的例数不一

10、定相等。,随机数字表,抽签,电脑随机数,例如试将,10,头动物应用随机数字表分配到甲、乙两组。,按动物体重编号,从随机数字表上查,10,个随机数,规定双号为甲组，单号为乙组,动物编号,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,随机数字,6,9,2,6,4,7,2,9,9,8,组,别,甲,乙,甲,甲,甲,乙,甲,乙,乙,甲,调整：再接着查一个“,6,”,以内的随机数，以决定甲,组中哪一号拨到乙组。本例查得随机数为,4,，将甲组第,4,个（,5,号）调到乙组。,配对设计,(paired design),属于分层随机化,(stratified,randomization),。,即先对某一,可能的非处

11、理因素进行分层，然后在每一层内进行完全随机,化。由于配对只有二水平处理，因此为配对随机化。如：,同源配对：两个来源相同的受试对象,自身配对：试验前后比较等；,；,异体配对：同窝动物，病情相同、年龄相同的病人等。,优点：,具有较好的均衡性，可减少误差，提高实验的,效率。样本量可少一些。,缺点：,配对较困难，有时很难达到要求。,随机化分组方法：,对子号,随机数字,单双,甲组,乙组,1-2,3-4,5-6,7-8,16,93,11,14,双数,单数,单数,双数,2,3,5,8,1,4,6,7,9-10,19-20,07,18,单数,双数,9,20,10,19,随机区组设计,(randomized b

12、lock design),也属于分层随机化。由于是多水平处理，则可设计成为区组,随机化。,其优缺点类似于配对设计。,特点：,一个区组的实验对象应与试验因素水平数,（处理组数）相同。,随机化分组方法,受试对象,配成区组,每个区组的,k,个观察单位随机,分配到：,A,、,B,、,C,、,D,组中,处理组,A,1,5,10,16,B,4,6,9,14,C,3,8,12,13,D,2,7,11,15,配伍组,交叉设计（,cross-over design,）,是一种特殊的自身对照设计。它是将同一批受试对象，随,机地使半数受试对象先接受,A,处理，后接受,B,处理；另一半受,试对象先接受,B,处理，后接

13、受,A,处理。,使处理因素,A,和,B,先后试验的机会均等，平衡了试验顺序,的影响。可分析处理因素的差别，处理顺序的差别及受试对,象间的差别。,特点：,各种处理方式不能相互影响，即受试对象在接受第,二种处理时，不能有前一种处理的剩余效应。应具有,清除阶,段,(washout,period),。,在医学研究中交叉设计多用于止痛、镇静、降压等药物或,治疗方法间疗效的比较。,随机化分组方法,如,将,20,例病人首先随机分成两组，然后用配对分组的方法,进行分组，随机确定,10,例先用,A,后用,B,，另,10,例先用,B,后用,A,。,甲,乙,1 2,4 3,7 5,8 6,9 10, ,随机数字,2

14、2,17,10,15,56,单双,双数,单数,双数,单数,双数,A-B,2,4,5,8,10,B-A,1,3,7,6,9,重复的原则,重复,(replication),：,是指在相同实验条件下进行多次研究,或多次观察，以提高实验的可靠性和科学性。广义来讲，重,复包括三种情形：,1,、整个实验的重复。它确保了实验的重现性。,2,、足够的受试对象。通过一定数量的重复，避免偶然性或,巧合的现象当成必然的规律推广。,3,、同一受试对象的重复观察。它保证了观察结果的精度。,一般意义上的重复,：是指各处理组与对照组要有一定的,适度的样本含量,(sample,sizes),。,样本含量不足,，所得变量值不稳

15、定，用以推断总体的精,确度差；检验效能（,Power,，,1,）偏低，导致总体中本来,具有的差异无法检验出来。,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。,样本含量的估计,经验估计：,动物试验,，一般有数只或数十只动物即可。,临床试验,，每组一般要有,50,100,例方能满,足要求。,计数指标,，样本量要大些。,计量指标，,样本量可适当减少。,利用公式或查表定量估计,一般在计算样本含量时，要求先做预试验，了解相关,指标的情况，然后再推算。,四个主要因素,：,?,、,1,?,、,?,、,?,第一类错误的概率,?,，即检验水准。,?,越小，

16、所需样本含量越多。一般取,?,=0.05,，还应,明确单双侧。,检验效能,1,?,?,。,?,为第二类错误的概率，,1,?,?,表示在特定的,?,水准下，,H,1,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,，,一般,1,?,?,不能低于,0.75,。,误差,?,或,?,希望发现或需控制的样本和总体间、或样本间某统计量,的差别大小。可用绝对误差，如,?,=,1,?,2,、,?,=,1,?,2,等；也可,用相对误差，发,?,（,1,?,2,）,/,1,等。若误差越小，所需样,本含量越多。可作预实验或用专业上有意义的差值代替。,总体变异度,

17、?,?,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,?,值。,样本均数与总体均数的比较,（或配对设计、交叉设计）,例，为了解高温作业工人的心率是否高于一般人群。某研,究者随机抽取了,10,名高温作业工人作预试，测得其标准差,S,=6.2,次,/,分。若高温作业工人的心率高于一般人群,3.0,次,/,分才有,专业意义，问当,=0.05,，,?,=0.10,时，需要多大样本含量？,故需,37,位高温作业工人，才有,90%,的机率发现这类,高温作业的特殊人群与一般人群脉搏的不同,。,两样本均数比较,例,欲比较黄芪与生血散对粒,细胞减少症的疗效。据以往经,验,，,黄,芪,可,平,

18、均,增,加,粒,细,胞,1,?,10,9,个,/L,，生血散可平均增加,粒,细,胞,2,?,10,9,个,/L,。,若,=1.8,?,10,9,个,/L,，,取单尾,0.05,，检验效,能为,0.80,，每组例数相等，问每,组需要多少病例？若黄芪组样,本含量占整个样本含量的,60%,，,则每组又各需多少病例？,多个样本均数比较,随机区组设计多个均数比较,样本率与总体率的比较,(,大样本,),例，用常规方法治疗过敏性鼻炎的有效率为,85%,，,现试验某一新药，预计有效率为,95%,。若,=0.05,，,=0.1,，问需观察多少病例？,两组样本率比较（大样本）,例,比较两种药物治疗乙型肝炎后表面抗原,HBsAg,的阴转情况。,预试中甲药的阴转率为,60%,，乙药的阴转率为,75%,。若取,=0.05,，,=0.10,，甲药组的样本含量占,55%,，乙药组占,45%,，问两组各需,多少乙型肝炎患者？,两组样本率比较（发生率低）,直线相关,小,结,实验设计的基本原则是：对照