卫生统计学潘海燕卫统3实验设计课件

1、2021-10-281卫生统计学卫生统计学-潘海燕潘海燕 卫统卫统3 实验设实验设计计实验设计2本章主要内容本章主要内容一、实验设计的特点和类型 二、实验设计的基本要素 三、实验设计的基本原则 四、实验设计的基本步骤 五、常用的实验设计方案实验设计3【例【例3-1】 某医师观察某新药治疗流感的疗效，某医师观察某新药治疗流感的疗效，用公认有效的重感灵作对照。病人入院时，病用公认有效的重感灵作对照。病人入院时，病情轻者分入治疗组，病情重者分入对照组，结情轻者分入治疗组，病情重者分入对照组，结果表明新药疗效优于重感灵。果表明新药疗效优于重感灵。【问题问题3-1】（1）该医师的结论是否正确？）该医师的

2、结论是否正确？（2）实验设计有何缺陷？）实验设计有何缺陷？（3）应该怎样正确设计？）应该怎样正确设计？2021-10-283一、实验设计的特点和类型一、实验设计的特点和类型实验设计4 医学科研结果的好坏取决于医学科研实验设计的好坏，良好的实验设计才能得到较好的科研结果 2021-10-284实验设计5实验研究（实验研究（experimental study）是指是指研究者根据研究目的人为地对受试对象研究者根据研究目的人为地对受试对象（包括人或动物）施加处理因素，控制（包括人或动物）施加处理因素，控制混杂因素，观察、总结处理因素的效应混杂因素，观察、总结处理因素的效应的一种研究方法的一种研究方法

3、 实验设计的基本概念实验设计的基本概念实验设计6实验设计（实验设计（experimental design）是对是对实验研究所做的实验研究所做的周密计划周密计划，它包括实验，它包括实验研究的资料收集、整理、分析全过程的研究的资料收集、整理、分析全过程的设想和安排设想和安排 实验设计7 实验设计的特点实验设计的特点 研究者可人为设置处理因素研究者可人为设置处理因素，这些因素包括，这些因素包括物理的、化学的、生物的、社会的物理的、化学的、生物的、社会的 随机分组随机分组，受试对象分到哪一组是通过随机，受试对象分到哪一组是通过随机的方法来确定的的方法来确定的实验设计8 实验设计优点实验设计优点：能够

4、较好地控制废处理因：能够较好地控制废处理因素的影响，避免人为造成的便宜，使比较素的影响，避免人为造成的便宜，使比较组间具有更好的均衡性组间具有更好的均衡性实验设计9 根据研究对象划分根据研究对象划分 动物实验（动物实验（animal experiment） 以动物作为研究对象。在动物实验设计以动物作为研究对象。在动物实验设计中，可严格地控制条件，包括有毒的环中，可严格地控制条件，包括有毒的环境、温度、湿度等境、温度、湿度等 实验设计的分类实验设计的分类 实验设计10临床试验（临床试验（clinical trial） 以病人为研究对象。设计时必须周密考虑，以病人为研究对象。设计时必须周密考虑，设

5、计相应措施控制误差和偏倚，以保证研究设计相应措施控制误差和偏倚，以保证研究结果真实可靠结果真实可靠实验设计11社区干预试验（社区干预试验（community intervention trial） 在社区的一般人群中进行，持续时间一般较长，在社区的一般人群中进行，持续时间一般较长，目的是通过目的是通过控制某些危险因素或施加某些保护控制某些危险因素或施加某些保护性措施性措施，了解其在人群中的效应，了解其在人群中的效应实验设计12实验研究中作为实验研究中作为受试对象受试对象的前提是所选对象必须的前提是所选对象必须同时同时满足两个基本条件满足两个基本条件：对处理因素敏感对处理因素敏感反应必须稳定反应

6、必须稳定例如：临床研究某药物对高血压病的疗效试验，例如：临床研究某药物对高血压病的疗效试验，宜选择宜选择期高血压病人作为研究对象。因期高血压病人作为研究对象。因 期高期高血压病人血压波动范围较大，而血压病人血压波动范围较大，而 期高血压病人期高血压病人对药物不够敏感对药物不够敏感实验设计13二、实验设计的基本要素二、实验设计的基本要素 处理因素处理因素 受试对象受试对象 实验效应实验效应实验设计142021-10-2814实验设计15 处理因素是指研究者施加于受试对象的处理因素是指研究者施加于受试对象的因素（如某种药物、某种手术等），可分因素（如某种药物、某种手术等），可分为单因素和多因素为单

7、因素和多因素 处理因素（处理因素（study factor，treatment） 抓住试验中的主要因素抓住试验中的主要因素控制非处理因素控制非处理因素处理因素标准化处理因素标准化实验设计16混杂因素混杂因素（confounder） 指影响实验效应并指影响实验效应并与处理因素同时存在与处理因素同时存在的非处的非处理因素。理因素。通常在实验组和对照组中分布不均匀通常在实验组和对照组中分布不均匀，因而导致处理因素与实验效应之间的联系被歪曲因而导致处理因素与实验效应之间的联系被歪曲水平（水平（levellevel）是指同一处理因素在是指同一处理因素在数量上或强度上数量上或强度上的不同程的不同程度。（不

8、同的药物种类或药物剂量）度。（不同的药物种类或药物剂量）实验设计172021-10-2817实验设计18 受试对象是处理因素作用的客体或对象受试对象是处理因素作用的客体或对象 受试对象受试对象(study subjects) 动物动物人人实验设计19诊断标准：采用公认的标准诊断标准：采用公认的标准纳入标准：符合诊断标准且具备入组纳入标准：符合诊断标准且具备入组条件的具体规定条件的具体规定 排除标准：不能入选的具体规定排除标准：不能入选的具体规定实验设计20 【例例3-4】某医师进行某医师进行“伤风停胶囊伤风停胶囊” 治疗风寒感冒的疗效及治疗风寒感冒的疗效及用药安全性临床试验，以感冒软胶囊为对照

9、药。用药安全性临床试验，以感冒软胶囊为对照药。 诊断标准诊断标准：符合中医风寒感冒诊断标准。：符合中医风寒感冒诊断标准。 纳入标准纳入标准：符合中医风寒感冒诊断标准；发病：符合中医风寒感冒诊断标准；发病48小时内；小时内； 年龄在年龄在1845岁者；岁者； 签署知情同意书者。签署知情同意书者。 排除标准排除标准：妊娠及哺乳期妇女；精神病患者；合并心、：妊娠及哺乳期妇女；精神病患者；合并心、脑、肝、肾和造血系统等严重原发性疾病、精神病患者；已脑、肝、肾和造血系统等严重原发性疾病、精神病患者；已使用过其他治疗药物者；过敏体质和对本药物过敏者。使用过其他治疗药物者；过敏体质和对本药物过敏者。 实验设

10、计21 实验效应是指处理因素作用于受试对实验效应是指处理因素作用于受试对象后出现的反应象后出现的反应(response)和结局和结局(outcome)，它通过选择的指标来体现，它通过选择的指标来体现 实验效应实验效应（effect） 实验设计22指标的选择指标的选择 遵循遵循客观性、灵敏度、精确性客观性、灵敏度、精确性原则原则指标的观察指标的观察 实验效应的观察应避免偏性，设计时应采实验效应的观察应避免偏性，设计时应采用用盲法盲法(blind method)。包括单盲和双盲。包括单盲和双盲 实验设计23对照（对照（control）是指除了试验组外，）是指除了试验组外，再设置一个或多个对照组进行

11、同步试再设置一个或多个对照组进行同步试验，以比较试验组的效应情况验，以比较试验组的效应情况 对照原则对照原则 三、实验设计的基本原则三、实验设计的基本原则实验设计24对照的基本形式对照的基本形式1. 空白对照空白对照 不给对照组施加任何处理因素。在临床试不给对照组施加任何处理因素。在临床试验中，一般不用空白对照验中，一般不用空白对照2.安慰剂对照安慰剂对照 采用一种无药理作用的采用一种无药理作用的“假药假药”作为对照作为对照实验设计253. 标准对照标准对照 用现有的标准疗法或药物作为对照用现有的标准疗法或药物作为对照4. 实验对照实验对照 不给对照组施加处理因素，但施加某种与不给对照组施加处

12、理因素，但施加某种与处理因素有关的实验因素处理因素有关的实验因素实验设计265. 自身对照自身对照 对照与实验在同一受试者身上进行对照与实验在同一受试者身上进行6. 历史对照历史对照 用过去的研究结果作对照用过去的研究结果作对照7. 相互对照相互对照 几种实验组互为对照，比较几种处理几种实验组互为对照，比较几种处理因素的实验效应之强弱因素的实验效应之强弱实验设计27随机化的作用随机化的作用 使样本具有较好的使样本具有较好的代表性代表性，使各组受试对，使各组受试对象在重要的非处理因素方面具有较好的象在重要的非处理因素方面具有较好的均衡性均衡性，提高实验结果的，提高实验结果的可比性可比性 随机化原

13、则随机化原则 实验设计28 随机化主要体现在以下方面：随机化主要体现在以下方面：随机抽样随机抽样保证样本代表性保证样本代表性随机分组随机分组保证各组间实验对象可比性保证各组间实验对象可比性实验顺序随机实验顺序随机平衡实验顺序的影响平衡实验顺序的影响实验设计29随机化随机化(randomization)的方法的方法 抛掷硬币、抽签、摸球、查随机数字表抛掷硬币、抽签、摸球、查随机数字表或应用计算机软件产生随机数字等或应用计算机软件产生随机数字等实验设计30重复（重复（replication）是指在相同实验条件）是指在相同实验条件下进行多次研究或多次观察，以提高实验下进行多次研究或多次观察，以提高实

14、验的可靠性和科学性的可靠性和科学性 重复原则重复原则 实验设计31 重复的三种情形重复的三种情形整个实验重复整个实验重复确保实验可重复性，确保实验可重复性，提高实验可靠性提高实验可靠性多个实验单位重复多个实验单位重复 保证结论可信保证结论可信 重复测量重复测量保证观察结果精度保证观察结果精度 实验设计32均衡原则（均衡原则（balance）又称）又称齐同对比齐同对比原则，原则，指试验组和对照组或各实验组之间，除了指试验组和对照组或各实验组之间，除了处理因素以外，其它一切条件应尽可能相处理因素以外，其它一切条件应尽可能相同或一致同或一致 平衡非处理因素影响，体现处理因素的真平衡非处理因素影响，体

15、现处理因素的真实效应实效应 均衡原则均衡原则 实验设计33四、实验设计的基本步骤四、实验设计的基本步骤明确实验目的明确实验目的实验设计的第一步实验设计的第一步明确要解决的问题，建立研明确要解决的问题，建立研究假设究假设最好只有一个主要问题最好只有一个主要问题实验设计342. 确定研究对象确定研究对象根据实验目的确定研究对象根据实验目的确定研究对象研究对象对研究的因素比较敏感，处理效研究对象对研究的因素比较敏感，处理效应才能有效地体现出来。应才能有效地体现出来。研究对象应有明确的准入标准，不能在概研究对象应有明确的准入标准，不能在概念上含混不清。念上含混不清。实验设计353. 确定可比的实验组和

16、对照组明确观察指确定可比的实验组和对照组明确观察指标标根据研究目的选择设计方案，选定了研究设根据研究目的选择设计方案，选定了研究设计方案后，要确定相应的试验组和对照组计方案后，要确定相应的试验组和对照组对照组要注意遵循齐同对比的原则对照组要注意遵循齐同对比的原则实验设计36确定把受试对象分配到各处理组中的原则确定把受试对象分配到各处理组中的原则遵循随机化分组的原则遵循随机化分组的原则5. 确定样本含量确定样本含量样本含量太小无法得出统计结论样本含量太小无法得出统计结论样本太大实际操作比较困难，同时造成不必要样本太大实际操作比较困难，同时造成不必要的浪费的浪费实验设计376. 确定方法和指标确定

17、方法和指标样本确定方法是指确定的观察记录方法和统计样本确定方法是指确定的观察记录方法和统计分析方法分析方法实验设计387. 偏倚及其控制偏倚及其控制 研究误差中的系统误差部分称为偏倚（研究误差中的系统误差部分称为偏倚（bias）可可分为选择偏倚、信息偏倚、混杂偏倚分为选择偏倚、信息偏倚、混杂偏倚实验设计39选择偏倚：研究对象选取方式不当造成的选择偏倚：研究对象选取方式不当造成的系统误差，如用志愿者、病例脱落系统误差，如用志愿者、病例脱落控制方法：明确的纳入标准和排除标准；控制方法：明确的纳入标准和排除标准；遵循随机化原则；签订知情同意书等遵循随机化原则；签订知情同意书等实验设计40信息偏倚：是

18、来自于测量或信息资料收集方法的信息偏倚：是来自于测量或信息资料收集方法的问题，使得获取的资料产生了系统误差。问题，使得获取的资料产生了系统误差。控制方法：严格制定测量或信息收集方法的标准控制方法：严格制定测量或信息收集方法的标准，对测量人员培训，盲法，客观指标，对测量人员培训，盲法，客观指标实验设计41混杂偏倚：研究因素与疾病的相关程度受到混杂偏倚：研究因素与疾病的相关程度受到混杂因素的歪曲或干扰混杂因素的歪曲或干扰，导，导致产生的偏倚致产生的偏倚控制方法：在设计阶段通过配比、随机化分控制方法：在设计阶段通过配比、随机化分配或限制进入（选择混杂因素的某个层的对配或限制进入（选择混杂因素的某个层

19、的对象）等方法来控制。在统计分析阶段可采用象）等方法来控制。在统计分析阶段可采用标准化率分析、分层分析和多变量分析等来标准化率分析、分层分析和多变量分析等来控制。控制。实验设计42五、常用的实验设计方案五、常用的实验设计方案 完全随机设计完全随机设计 配对设计配对设计 随机区组设计随机区组设计 交叉设计交叉设计 析因设计析因设计 重复测量设计重复测量设计实验设计43完全随机设计完全随机设计（completely randomized d e s i g n ） ： 又 称 随 机 对 照 试 验） ： 又 称 随 机 对 照 试 验（randomized controlled trial, r

20、ct），是），是采用完全随机化分组方法将同质的实验单采用完全随机化分组方法将同质的实验单位分配到各处理组，各处理组分别接收不位分配到各处理组，各处理组分别接收不同的处理同的处理 完全随机设计完全随机设计实验设计44完全随机设计优缺点完全随机设计优缺点：设计简单，易于：设计简单，易于实施，出现缺失值时仍可统计分析；小实施，出现缺失值时仍可统计分析；小样本时，均衡性可能较差，抽样误差较样本时，均衡性可能较差，抽样误差较大大实验设计45a组组b组组实验设计46基本模式基本模式图图3-1 完全随机设计方案的基本模式完全随机设计方案的基本模式实验设计47 【例例3-14】某医师拟将某医师拟将20只小白鼠

21、随机分只小白鼠随机分成实验组和对照组，进行某项毒理试验。成实验组和对照组，进行某项毒理试验。如何进行完全随机设计的分组？如何进行完全随机设计的分组？ 实验设计48 【分析】【分析】先将先将20只小白鼠依次编号，即只小白鼠依次编号，即120号。查附表号。查附表2随机排列表，规定奇数为试验组，偶数为对照组，任随机排列表，规定奇数为试验组，偶数为对照组，任意指定一行，将随机数字依动物号写出，再按随机数字意指定一行，将随机数字依动物号写出，再按随机数字写出试验组或对照组，归纳各个组的动物编号即可写出试验组或对照组，归纳各个组的动物编号即可。2021-10-2848实验设计49实验组：实验组： 2、4、

22、5、8、10、11、13、15、17、18。对照组：对照组： 1、3、6、7、9、12、14、16、19、20动物编号1234567891011121314151617181920随机数字181101317203815741912514911616分组对试对试试对对试对试试对试对试对试试对对表表3-820只小白鼠随机分成实验组和对照组只小白鼠随机分成实验组和对照组实验设计50 配对设计配对设计配对设计配对设计是将实验单位按一定条件配成对是将实验单位按一定条件配成对子，再将每对中的两个实验单位随机分配子，再将每对中的两个实验单位随机分配到不同处理组。到不同处理组。实验设计51将两个条件相同或相近

23、的实验对象配成对子，将两个条件相同或相近的实验对象配成对子，分别接受不同的处理分别接受不同的处理同一批实验对象分别采用两种方法检验的结果同一批实验对象分别采用两种方法检验的结果同一批实验对象身体两个部位接收两种不同的同一批实验对象身体两个部位接收两种不同的处理处理同一批实验对象实验前后的测量结果同一批实验对象实验前后的测量结果配对设计最常见情形配对设计最常见情形实验设计52配对设计优缺点配对设计优缺点：抽样误差较小、实验效率：抽样误差较小、实验效率较高，所需样本含量较小；当配对条件未能严较高，所需样本含量较小；当配对条件未能严格控制造成配对失败或欠佳时，会降低效率格控制造成配对失败或欠佳时，会

24、降低效率实验设计53a组组b组组实验设计54配对设计情形配对设计情形 1.自身对照设计自身对照设计 实验设计55 2.异体对照设计异体对照设计 实验设计56 【例例3-16】 某医师拟将某医师拟将10对（对（20只）小白鼠只）小白鼠随机分成实验组和对照组，进行某项毒物的随机分成实验组和对照组，进行某项毒物的配对试验。配对试验。怎样进行配对设计方案的随机分组？怎样进行配对设计方案的随机分组？实验设计57【分析】【分析】先将先将10对小白鼠的对子数依次编号，对小白鼠的对子数依次编号，即即110号。查附表号。查附表2随机排列表，随机排列表，规定奇数为规定奇数为试验组、对照组，偶数为对照组、试验组试验

25、组、对照组，偶数为对照组、试验组，任，任意指定一行，将随机数字依动物号写出，再按意指定一行，将随机数字依动物号写出，再按随机数字写出试验组和对照组分组情况，归纳随机数字写出试验组和对照组分组情况，归纳各个组的动物编号即可各个组的动物编号即可实验设计58表表3-10 10对只小白鼠随机分组情况对只小白鼠随机分组情况编号1.1 1.22.1 2.23.1 3.24.1 4.25.1 5.26.1 6.27.1 7.28.1 8.29.1 9.210.1 10.2随机数46832957101分组对实对实对实实对对实实对实对实对对实实对实验组：实验组：1.2、2.2、3.2、4.1、5.2、6.1、7

26、.1、8.1、9.2、10.1对照组：对照组：1.1、2.1、3.1、4.2、5.1、6.2、7.2、8.2、9.1、10.2实验设计59又称为配伍设计，是配对设计的扩大。是又称为配伍设计，是配对设计的扩大。是将几个条件相同的受试对象划成一个区组，将几个条件相同的受试对象划成一个区组，将区组中的受试对象采用随机的方法，分将区组中的受试对象采用随机的方法，分配到不同的对比组中，接受不同的处理配到不同的对比组中，接受不同的处理 随机区组设计（随机区组设计（randomized block design） 实验设计60随机区组设计特点随机区组设计特点：随机分配的次数要重复多次，：随机分配的次数要重复

27、多次，每次随机分配都对同一个区组内的实验单位进行，每次随机分配都对同一个区组内的实验单位进行，且各处理组试验单位数量相同，区组内均衡且各处理组试验单位数量相同，区组内均衡随机区组设计注意事项随机区组设计注意事项（1）要区别何为第一因素，何为第二因素）要区别何为第一因素，何为第二因素（2）配伍的条件不能太多）配伍的条件不能太多（3）在动物实验中易于实施）在动物实验中易于实施实验设计61随机区组设计优缺点随机区组设计优缺点：优点：每个区组内的实验单位具有较好的同质性优点：每个区组内的实验单位具有较好的同质性，比完全随机设计减少了随机误差，因而更易发，比完全随机设计减少了随机误差，因而更易发现处理组

28、间的差别，提高了实验效率现处理组间的差别，提高了实验效率缺点：要求区组内实验单位数与处理组数相等，缺点：要求区组内实验单位数与处理组数相等，实验结果中若有数据缺失，统计分析较为麻烦实验结果中若有数据缺失，统计分析较为麻烦实验设计62 随机区组设计的基本模式随机区组设计的基本模式实验设计63 【例例3-18】某医师将某医师将24只小白鼠按窝别、只小白鼠按窝别、性别、月龄组成性别、月龄组成6个区组，每个区组有个区组，每个区组有4只只小白鼠，每个区组随机分到小白鼠，每个区组随机分到a、b、c、d四个组，进行某项毒物试验。四个组，进行某项毒物试验。怎样进行随机区组设计的随机分组？怎样进行随机区组设计的

29、随机分组？ 实验设计64【分析】【分析】先将先将24只小白鼠依次编号，即只小白鼠依次编号，即124号，规定第号，规定第1区组为区组为14号，第号，第2区组为区组为58号，第号，第3区组为区组为912号，第号，第4区区组为组为1316号号,第第5区组为区组为1720号。第号。第4区组为区组为2124号号。查附表查附表2随机排列表，任意指定随机排列表，任意指定6行行（有（有q个区组就指定个区组就指定q行），将行），将随机数字随机数字14列出列出（有（有n个处理组就需要个处理组就需要1n个随机数字），再按随机数字写出相应的动物编号，归个随机数字），再按随机数字写出相应的动物编号，归纳各个组的动物编号

30、即可。纳各个组的动物编号即可。实验设计65随机区组设计随机区组设计2021-10-2865实验设计66交叉设计交叉设计交叉设计（交叉设计（cross-over design）是按事是按事先设计好的实验次序，在各个时期对研先设计好的实验次序，在各个时期对研究对象先后实施各种处理，以比较各处究对象先后实施各种处理，以比较各处理组间的差异理组间的差异实验设计67交叉设计注意事项交叉设计注意事项交叉设计中各种处理方法不能相互影响交叉设计中各种处理方法不能相互影响即不同处理间应有适当间隔（洗脱阶段）即不同处理间应有适当间隔（洗脱阶段）交叉设计应采用盲法进行观察交叉设计应采用盲法进行观察提高受试提高受试对

31、象依从性，避免偏倚对象依从性，避免偏倚不宜用于具有自愈倾向或病程较短的疾病研不宜用于具有自愈倾向或病程较短的疾病研究究实验设计68优点优点：节约样本含量；能控制个体差异和时间：节约样本含量；能控制个体差异和时间对处理因素的影响，实验效率较高；临床试验对处理因素的影响，实验效率较高；临床试验中，每个实验对象同时接受了两种处理，即均中，每个实验对象同时接受了两种处理，即均等地考虑了每个患者的利益等地考虑了每个患者的利益缺点缺点：每个处理时间不能太长；受试对象的状：每个处理时间不能太长；受试对象的状态发生根本变化时，后一阶段处理将无法进行；态发生根本变化时，后一阶段处理将无法进行；受试对象一旦在某一阶段退出试验，将造成数受试对象一旦在某一阶段退