医学统计学-实验设计推荐课件

1、2021/8/221统计研究设计统计研究设计调查研究调查研究实验研究实验研究临床试验临床试验动物实验动物实验2021/8/222实验研究设计张菊英2021/8/223主要内容主要内容l实验研究设计的原则实验研究设计的原则l实验研究设计的内容实验研究设计的内容l常用的设计类型常用的设计类型l临床试验设计临床试验设计2021/8/224统计研究设计统计研究设计 根据对研究对象是否进行干预分为：调查研究调查研究：客观地反映事物的实际情况，未加任何客观地反映事物的实际情况，未加任何 干预措施。干预措施。实验研究实验研究 ：根据研究目的主动加以干预措施，控制根据研究目的主动加以干预措施，控制 非试验因素

2、的干扰，回答研究假设所提出的问非试验因素的干扰，回答研究假设所提出的问 题。题。2021/8/225实验研究设计实验研究设计 根据研究对象不同又可分为 动物实验研究动物实验研究(animal experiment design) 以实验动物和实验样品为对象临床试验临床试验(clinical trial design) 以患者为对象现场试验现场试验(field trial) 以自然人群为对象2021/8/226实验设计的基本原则实验设计的基本原则2021/8/227l贯彻三原则是控制误差和偏倚的重要措施对照原则对照原则随机化原则随机化原则重复原则重复原则2021/8/228设立对照设立对照l控制

3、实验中其它非实验影响因素和偏倚不可缺控制实验中其它非实验影响因素和偏倚不可缺少的重要手段。少的重要手段。l根据研究目的设立恰当的对照根据研究目的设立恰当的对照安慰剂对照安慰剂对照空白对照空白对照实验对照实验对照标准对照标准对照自身对照自身对照 2021/8/229实例实例l1976年某单位报告果胶驱铅的疗效观察。30名铅中毒工人脱离现场后住院治疗，治疗铅测得尿铅均数为0.116mg/L，血铅均数为1.81mg/L。服用果胶20天后再测，尿铅均数降为0.087mg/L，血铅均数降为0.73mg/L。说明果胶有较好的驱铅作用。2021/8/2210实例实例l“樟柳碱治疗偏头痛型血管性头痛的疗效观察

4、”对4种类型、病程从0.532年不等的80例患者，在头痛各期均只给樟柳碱治疗，但给药途径和剂量不同。治疗发作期的63例患者中，显效42例、有效16例、无效5例；间歇期的35例患者种，显效19例、有效16例。对连续用药832天的24例患者随访，随访时间0.51年者6例，11.5年者18例。结果：显效10例、有效12例、无效2例。据此认为“樟柳碱不仅对偏头痛各期均有效，且远期效果也较满意。”2021/8/2211随机化原则随机化原则 是指采用随机的方式，使每个受试对象均有同等的机会被抽取或分配到实验组和对照组 目的目的: : 随机纳入，减少偏倚干扰，排除分配误差，保 证可比性方法方法: : 根据不

5、同试验的要求，可采用随机数字表、计 算机随机、配对随机、分层随机、区组随机 2021/8/2212随机化随机化(Randomization)(Randomization)l随机抽样l随机分配l实验顺序随机二者区别与联系2021/8/2213重复原则重复原则l指在相同实验条件下进行多次实验或观察l广义来讲,重复主要包括以下两方面:对多个受试对象进行实验对多个受试对象进行实验对同一受试对象进行重复观测对同一受试对象进行重复观测2021/8/2214均衡的原则均衡的原则l对非试验因素的条件加以控制，使试验组的非处对非试验因素的条件加以控制，使试验组的非处理因素和对照组的非处理因素均衡一致理因素和对照

6、组的非处理因素均衡一致 l应尽量设立同期对照应尽量设立同期对照(concurrent control)或平行或平行对照对照(parallel control)2021/8/22151. 交叉均衡交叉均衡例 某医生欲观察某中药对慢性支气管炎的预防效果，设计时在城市某工厂选择工人100名服用该中草药，在农村选择某乡农民100名作对照，不服用此药。结果是城市慢性支气管炎患者明显较少，而农村慢性支气管炎患者增加，由此得出该中草药有防治慢性支气管炎的作用。2021/8/2216修改修改l将城市将城市100名工人分成两组：名工人分成两组：50名服用中草药，名服用中草药，50名不服用名不服用l将农村将农村1

7、00名农民分成两组：名农民分成两组：50名服用中草药，名服用中草药，50名不服用名不服用2021/8/22172.分层均衡分层均衡l欲进行4种处理后受试者皮肤温度变化的比较2021/8/2218修改后修改后2021/8/2219 实验设计的基本内容实验设计的基本内容2021/8/2220实验设计的基本内容实验设计的基本内容l建立研究假设建立研究假设l明确受试对象的范围和数量明确受试对象的范围和数量 l确立处理因素确立处理因素 l明确观察指标明确观察指标 l确定实验设计的类型确定实验设计的类型l控制误差和偏倚控制误差和偏倚 2021/8/2221建立研究假设建立研究假设2021/8/2222l根

8、据研究目的确定研究假设根据研究目的确定研究假设:主要问题主要问题(primary question) 一项研究所要解决的问题，也就是实验的目的 次要问题次要问题 (secondary question) 用于补充说明及完善研究问题 2021/8/2223l主要问题主要问题塞克硝唑胶囊治疗牙周炎是否有效及安全性如何塞克硝唑胶囊治疗牙周炎是否有效及安全性如何 ？l次要问题次要问题对于不同年龄段患者的疗效是否不同对于不同年龄段患者的疗效是否不同 ？受试对象的依从性如何？受试对象的依从性如何？ 现以塞克硝唑胶囊治疗牙周炎为例现以塞克硝唑胶囊治疗牙周炎为例2021/8/2224明确受试对象范围和数量明确

9、受试对象范围和数量2021/8/2225规定适宜进入试验的研究对象的标准规定适宜进入试验的研究对象的标准纳入标准纳入标准(inclusion criteria)排除标准排除标准(exclusion criteria)2021/8/2226受试对象应满足的两个基本条件受试对象应满足的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必须稳定 其次,为使研究结果具有普遍性和推广价值,须保证受试对象的同质性(homogeneity)和代表性。2021/8/2227应注意纳入那些对处理因素的效应反映灵敏应注意纳入那些对处理因素的效应反映灵敏的患者，排除无反应对象的干扰的患者，排除无反应对象的干扰

10、;应排除可能受到处理措施损害的特殊人群应排除可能受到处理措施损害的特殊人群;纳入标准和排除标准应当用条文明确规定，纳入标准和排除标准应当用条文明确规定，成为书面形式，并让所有参与研究的医务工成为书面形式，并让所有参与研究的医务工作者都知道，以便认真执行。作者都知道，以便认真执行。 确定选入标准应注意的问题确定选入标准应注意的问题2021/8/2228实例实例2021/8/22292021/8/2230剔剔 除除 标标 准准 在试验开始或进行过程中，若发现不适合纳入在试验开始或进行过程中，若发现不适合纳入标准或应当排除的病例，则应剔除，否则将会影响标准或应当排除的病例，则应剔除，否则将会影响今后

11、的统计分析，实际上是排除标准的完善与补充。今后的统计分析，实际上是排除标准的完善与补充。 如在试验开始后发现化验结果、某种特殊检查如在试验开始后发现化验结果、某种特殊检查结果不符合纳入标准等结果不符合纳入标准等。2021/8/2231明确受试对象的数量明确受试对象的数量l就是估计样本含量，一般根据主要观测指标来确定样本含量过小，统计推断效能低样本含量过大，增加研究成本2021/8/2232确立处理因素确立处理因素2021/8/2233l处理因素又称受试因素，是研究者根据研究处理因素又称受试因素，是研究者根据研究目的而施加给受试对象的特定实验措施目的而施加给受试对象的特定实验措施 (如如试验中给

12、予的某种试验药物，实行某种手术试验中给予的某种试验药物，实行某种手术等等)l非处理因素，如非处理因素，如:混杂因素混杂因素(confounder) 2021/8/2234分清处理因素和非处理因素分清处理因素和非处理因素处理因素应当标准化：处理因素应当标准化：使处理因素在整个试验过程中应始终如一，保持不变确定处理因素时应当注意以下几点确定处理因素时应当注意以下几点2021/8/2235 明确观察指标明确观察指标2021/8/2236指标的选择应当注意以下几点指标的选择应当注意以下几点客观性较强客观性较强准确度和精密度准确度和精密度灵敏度和特异度灵敏度和特异度2021/8/2237 控制误差和偏倚

13、控制误差和偏倚2021/8/2238l任何实验研究结果均可能受两种因素的影响真正由于处理因素作用的影响真正由于处理因素作用的影响各种误差和偏倚各种误差和偏倚(bias) 的干扰的干扰2021/8/2239误差（误差（error）l概念： 试验中的原始数据与真实值之差2021/8/2240误差的分类误差的分类l非随机误差l随机误差2021/8/2241非随机误差非随机误差l非随机误差又可分为两种：非系统误差非系统误差：在试验过程中研究者由于偶然的失 误造成的误差，这种误差亦称为过失误差系统误差系统误差：系统误差的值是恒定不变的，或者是 按一定的规律变化2021/8/2242随机误差随机误差l概念

14、：是无规律性、不恒定的随机性变化的误差，亦称偶然误差，抽样误差就是其中的一种随机误差不可避免可为正或负，无一定规律性l有些随机误差可能被认识而加以控制2021/8/2243偏倚偏倚(bias)l概念：偏倚是指在临床试验中由于某些非试验因素的干扰所形成的系统误差，并歪曲了处理因素的真实效果l偏倚是一种系统误差l偏倚只能进行控制而不可能完全避免2021/8/2244实验中可能出现的偏倚实验中可能出现的偏倚 根据偏倚所来源的实验阶段,可将其分为：选择性偏倚选择性偏倚(selection bias) 测量性偏倚测量性偏倚(measurement bias) 混杂性偏倚混杂性偏倚(confounding

15、 bias) 2021/8/2245选择性偏倚选择性偏倚l概念：由于纳入观察对象的方法不正确 而产生的偏倚。l防止选择性偏倚的措施：正确拟定观察对象的纳入和排除标准正确拟定观察对象的纳入和排除标准采用分层分配的方法采用分层分配的方法正确设立对照正确设立对照 贯彻随机化原则贯彻随机化原则 2021/8/2246测量性偏倚测量性偏倚 l概念： 在实验过程中对研究对象进行观察或测量时产生的偏倚 。2021/8/2247常见的测量性偏倚常见的测量性偏倚占染占染(contamination)干扰干扰 (co-intervention)依从依从(compliance)和非依从和非依从(noncomplia

16、nce) 失访失访(lost to follow-up) 检查和诊断结果的不一致检查和诊断结果的不一致(disagreement) 观察记录的失误观察记录的失误 2021/8/2248防止测量偏倚的措施防止测量偏倚的措施l盲法盲法(blind method)l签定临床试验合同签定临床试验合同 l检查试验对象的依从性检查试验对象的依从性 l注意医德注意医德 l定期检查研究记录定期检查研究记录 l评价判断的一致性评价判断的一致性2021/8/2249混杂性偏倚混杂性偏倚 (confounding bias)l 在数据分析阶段，由于某些非试验因素与试在数据分析阶段，由于某些非试验因素与试验因素同时并

17、存影响到实验结果，这种由非验因素同时并存影响到实验结果，这种由非处理因素造成的偏倚，即混杂偏倚，简称混处理因素造成的偏倚，即混杂偏倚，简称混杂杂2021/8/2250防止混杂偏倚的措施防止混杂偏倚的措施l分层分层l贯彻随机化原则贯彻随机化原则l配伍组设计配伍组设计l标准化法标准化法l Mantel-Haenszel卡方检验卡方检验l协方差分析协方差分析 2HM 2021/8/2251常用的设计方法常用的设计方法2021/8/2252常用的实验设计类型常用的实验设计类型 l完全随机设计完全随机设计(completely randomized design) l配对设计配对设计(paired de

18、sign) l随机区组设计随机区组设计(randomized block design)l交叉设计交叉设计(cross-over design) l析因设计析因设计(factorial design) l序贯试验序贯试验(sequential trial) 2021/8/2253完全随机设计完全随机设计l平衡设计平衡设计(balanced design)l非平衡设计非平衡设计(unbalanced design)2021/8/2254完全随机设计方案示意图完全随机设计方案示意图 纳入标准排除标准研究总体随机化受试对象实验组对照组2021/8/2255完全随机化分组三大步骤完全随机化分组三大步骤

19、l编号编号l取随机数取随机数l确定组别确定组别2021/8/2256随机分配表随机分配表l必须利用随机化的工具必须利用随机化的工具 随机分配表 利用计算机软件产生随机分配表：最常用也符合要求的理想方法2021/8/2257例将体重相近的例将体重相近的15只雌性小白鼠随机等分到只雌性小白鼠随机等分到A、B、C三组三组。l先将小白鼠按体重从先将小白鼠按体重从115编号编号l再从随机数字表再从随机数字表(附表附表1)中任一行中任一行,如第如第20行最行最左端开始横向连续取左端开始横向连续取15个两位数字个两位数字l按随机数从小到大的顺序编序号按随机数从小到大的顺序编序号,如果随机数如果随机数相同相同

20、,则先出现的为小则先出现的为小l事先设定规则事先设定规则:序号序号15对应的小白鼠分为对应的小白鼠分为A组组,序号序号610对应的小白鼠分为对应的小白鼠分为B组组,序号序号1115对应的小白鼠分为对应的小白鼠分为C组组2021/8/2258 分组结果分组结果:第第1,3,10,12,15号小白鼠分到号小白鼠分到A组组;第第2,4,9,13,14号小白鼠分到号小白鼠分到B组组;第第5,6,7,8,11号小白号小白鼠分到鼠分到C组。组。2021/8/2259配对设计配对设计(paired design )l将受试对象按一定条件配成对子，再将每对中将受试对象按一定条件配成对子，再将每对中的两个受试对

21、象随机分配到两个不同的处理组的两个受试对象随机分配到两个不同的处理组.l配对的因素应为可能影响实验结果的主要混杂配对的因素应为可能影响实验结果的主要混杂因素。因素。2021/8/2260配对设计的应用配对设计的应用l将两个条件相同或相近的受试对象配成对子将两个条件相同或相近的受试对象配成对子,两个体分别随机接受两种不同的处理两个体分别随机接受两种不同的处理l同一受试对象的两个部分配成对子同一受试对象的两个部分配成对子,分别随机分别随机接受两种不同的处理接受两种不同的处理l同一受试对象接受两种不同的处理同一受试对象接受两种不同的处理 l自身前后配对，即将同一受试对象，接受某种自身前后配对，即将同

22、一受试对象，接受某种处理之前和接受该处理之后视为配对处理之前和接受该处理之后视为配对 2021/8/2261例例 将符合实验要求的将符合实验要求的14只小鼠只小鼠,按照月龄和体按照月龄和体重相近的原则配成重相近的原则配成7对对,试进行随机化分组试进行随机化分组.先将7对小鼠按体重从小到大的顺序编号。再从随机数字表(附表1)中任一行，如第11行最左端开始横向连续取14个两位数字。事先规定，每一对中，随机数较小者序号为1，对应于A组，随机数较大者序号为2，对应于B组。分配结果如下2021/8/22622021/8/2263随机区组设计随机区组设计(randomized block design)

23、l亦称配伍组设计。通常做法是将受试对象按性亦称配伍组设计。通常做法是将受试对象按性质质(如动物的性别、体重，患者的性别、年龄、如动物的性别、体重，患者的性别、年龄、病情等非处理因素病情等非处理因素)相同或相近分为相同或相近分为b个区组个区组(或称配伍组或称配伍组)，然后将每个区组中的，然后将每个区组中的k个受试个受试对象随机分配到对象随机分配到k个处理组。个处理组。2021/8/2264l可见，随机区组设计实际上是配对设计的可见，随机区组设计实际上是配对设计的扩展，配对设计中每对是两个受试对象，扩展，配对设计中每对是两个受试对象，而随机区组设计中每个区组是两个以上的而随机区组设计中每个区组是两

24、个以上的受试对象受试对象l设计时应遵循设计时应遵循“区组内差别越小越好，区区组内差别越小越好，区组间差别越大越好组间差别越大越好”的原则的原则2021/8/2265例例16只大鼠，根据分层因素将其分为只大鼠，根据分层因素将其分为4个区组，每组个区组，每组4只大鼠，分别接受只大鼠，分别接受A、B、C、D四种处理。四种处理。l先将先将16只大鼠按某种顺序编号。再从随机数字表只大鼠按某种顺序编号。再从随机数字表(附表附表1)中任一行，如第中任一行，如第36行最左端开始横向连续行最左端开始横向连续取取16个两位数字。个两位数字。l再将每一区组内的四个随机数字由小到大排序。再将每一区组内的四个随机数字由

25、小到大排序。l事先规定，序号事先规定，序号1, 2, 3, 4分别对应于分别对应于A，B，C，D四个处理组。四个处理组。2021/8/2266l由下表可知，对于区组由下表可知，对于区组1，编号为，编号为1.1, 1.2, 1.3, 1.4号的大鼠分别对应于号的大鼠分别对应于A、D、B、C四个处理组，四个处理组，余类推。余类推。 随机区组设计的16只大鼠随机分组的结果2021/8/2267 交叉设计交叉设计(cross-over design) l 交叉设计是一种特殊的自身对照设计。它按交叉设计是一种特殊的自身对照设计。它按事先设计好的实验次序，在各个时期对受试对事先设计好的实验次序，在各个时期

26、对受试对象先后实施各种处理，以比较处理组间的差异。象先后实施各种处理，以比较处理组间的差异。 2021/8/2268交义设计的方法交义设计的方法l首先将条件相近的观察对象配对，再随机分配首先将条件相近的观察对象配对，再随机分配决定其中之一先采用处理方式决定其中之一先采用处理方式A或或B；另一对；另一对象则先用象则先用B再用再用A。结果使一半对象先接受。结果使一半对象先接受A，再接受再接受B；另一半则相反；两种处理方式交叉；另一半则相反；两种处理方式交叉进行。进行。2021/8/2269处理方式AB同一对1号对象2号对象先(A)先(B)后(A)后(B)2021/8/2270l交叉设计的基本前提是

27、各种处理方式不能相互影交叉设计的基本前提是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一种处理的剩余效应(carry-over effects)。 2021/8/2271交叉设计的优点交叉设计的优点节约样本含量节约样本含量能够控制个体差异和时间差异对处理因素的影能够控制个体差异和时间差异对处理因素的影响，故效率较高响，故效率较高 在临床试验中，每个受试对象均接受了各种处在临床试验中，每个受试对象均接受了各种处理理(如试验药和对照药如试验药和对照药)，因此均等地考虑了每，因此均等地考虑了每个患者的利益个患者的利益20

28、21/8/2272交叉设计的缺点交叉设计的缺点每个处理的持续时间不能太长每个处理的持续时间不能太长当受试对象的状态发生根本变化时，如死亡、当受试对象的状态发生根本变化时，如死亡、治愈等，后一阶段的处理将无法进行治愈等，后一阶段的处理将无法进行受试对象一旦在某一阶段退出试验，就会造成受试对象一旦在某一阶段退出试验，就会造成该阶段及其以后的数据缺失，增加统计分析的该阶段及其以后的数据缺失，增加统计分析的困难困难 2021/8/2273交叉设计的注意事项交叉设计的注意事项l尽可能采用盲法，以提高受试对象的依从性，尽可能采用盲法，以提高受试对象的依从性，避免偏倚避免偏倚 l不宜用于具有自愈倾向或病程较

29、短的疾病研究不宜用于具有自愈倾向或病程较短的疾病研究l在观察过程中，应尽量保持条件的可比性在观察过程中，应尽量保持条件的可比性 2021/8/2274析因设计析因设计 l在实验研究中，许多实验因素之间往往是相互影响的，有时当一种因素的质或量发生改变时，另一种因素的效应也随之发生改变，此时析因设计(factorial design)是一种十分有用的设计。 l不仅可以检验两因素各水平之间的差异，还可以检验两因素间的交互作用。l若两因素间存在交互作用，甲因素的水平改变时，乙因素的效应也相应有所改变。2021/8/2275例例 为探讨贝那普利联合应用氯沙坦是否可预为探讨贝那普利联合应用氯沙坦是否可预防

30、环孢素防环孢素A的慢性肾毒性，两种药物的单独的慢性肾毒性，两种药物的单独效应如何，何者为优，它们之间有无交互作效应如何，何者为优，它们之间有无交互作用。用。 2021/8/2276将将60只只SD大鼠皮下注射环孢素大鼠皮下注射环孢素A，然后随机，然后随机分为分为4组，分别接受以下四种处理方式：组，分别接受以下四种处理方式：贝那普利和氯沙坦灌胃氯沙坦灌胃贝那普利灌胃生理盐水灌胃 2021/8/227760只只SD大鼠按照下表的方式分配大鼠按照下表的方式分配2021/8/227822析因设计模式析因设计模式 2021/8/2279l若两种处理因素无交互作用，两药的治疗效果若两种处理因素无交互作用，

31、两药的治疗效果相互独立，则在采用贝那普利和氯沙坦的联合相互独立，则在采用贝那普利和氯沙坦的联合方案时，不会影响各自的疗效方案时，不会影响各自的疗效l若两者有交互作用，两药并用将会比单独使用若两者有交互作用，两药并用将会比单独使用时的疗效更好或更差时的疗效更好或更差2021/8/2280析因设计的优缺点析因设计的优缺点l优点在于其全面、高效性优点在于其全面、高效性 l其缺点为工作量较大，析因设计的处理数其缺点为工作量较大，析因设计的处理数(各各水平的组合数水平的组合数)等于各因素水平数的乘积等于各因素水平数的乘积 2021/8/2281案例分析案例分析2021/8/2282案例3-1 “硝普钠、

32、多巴胺、多巴酚丁胺联合治疗难治性心力衰竭硝普钠、多巴胺、多巴酚丁胺联合治疗难治性心力衰竭”对对59例难治性心力衰竭按血压高低分为例难治性心力衰竭按血压高低分为A、B组，在原始治疗基组，在原始治疗基础上，给予硝普钠、多巴胺、多巴酚丁胺联合治疗。结果：础上，给予硝普钠、多巴胺、多巴酚丁胺联合治疗。结果：A组有效率为组有效率为86.7%，B组有效率为组有效率为65.5%，A组有效率显著优组有效率显著优于于B组组(P0.05)。据此认为。据此认为“硝普钠、多巴胺、多巴酚丁胺联硝普钠、多巴胺、多巴酚丁胺联合治疗难治性心力衰竭有良好的效果，治疗中观察到血压高合治疗难治性心力衰竭有良好的效果，治疗中观察到血

33、压高的心衰比血压低或正常的心衰控制效果好的心衰比血压低或正常的心衰控制效果好”。 问题：问题： （1）该研究是否设立了对照组？若有，为何种对照？）该研究是否设立了对照组？若有，为何种对照？ （2）采用该试验设计能否达到研究目的？）采用该试验设计能否达到研究目的？ 2021/8/2283案例3-2 “消溃止痛汤治疗消化性溃疡疗效观察”一文，作者拟对病例进行随机分组，“两组病例的选择采用双盲法，每3位患者中前2位为治疗组病例。后1位为对照组病例”。治疗组：用消溃止痛汤；对照组：服用雷尼替丁胶囊。结论：治疗组疗效明显优于对照组。 问题： （1）该研究的分组是否贯彻了随机化原则？ （2）该研究能否实现双盲？试述其原因。2021/8/2284案例3-3 “中西医结合治疗急性支气管肺炎中西医结合治疗急性支气管肺炎3131例疗效