实验设计原则

1、实验设计原则实验设计原则“预事则立 ，不预则废”实验设计的目的 1.1.有目的、有计划、有步骤地进行实验。 2.2.最大限度地减少实验误差。 3.3.节省时间、样本、经费开支，减少人力物力财力，获得较高的效率。实验设计的目的和任务实验设计的目的和任务 实验设计的任务：合理安排三要素1 1、受试因素（处理因素、施加因素、干扰因素） 要抓住实验中的主要问题 要确定处理因素与非处理因素 处理因素必须标化 多因素的交互作用2 2、受试对象 病人、动物、组织、器官、细胞等3 3、受试效应 选择指标指标选择要注意： 指标的关联性 指标的客观性 指标的灵敏性 指标的精确性 指标的特异性实验设计原则实验设计原

2、则 对照原则对照原则 随机原则随机原则 重复原则重复原则 均衡原则均衡原则 盲法原则盲法原则 一、对照原则一、对照原则（controlcontrol）例：某医师为了研究某中药煎剂的利尿作用，随机抽取1010名健康人进行研究，结果1010名健康人服药2 2小时内较未服药前平均增加100ml/100ml/小时，因此认为该中药煎剂有利尿作用。你认为该结论正确吗？并说明理由；你认为应如何设计意义：意义：鉴别处理因素与非处理因素的差异鉴别处理因素与非处理因素的差异 减少实验误差，避免产生错误的结论减少实验误差，避免产生错误的结论要求：要求：均衡均衡: :即组间一致，除处理因素外，对照组具备与实验组对等的

3、非处理因素即组间一致，除处理因素外，对照组具备与实验组对等的非处理因素同步同步：对照组与实验组在整个研究进程中，始终处于同一空间和时间：对照组与实验组在整个研究进程中，始终处于同一空间和时间专设专设：为相应的实验组专门设立对照。不得借用文献上记载或以往的结果：为相应的实验组专门设立对照。不得借用文献上记载或以往的结果或其他研究资料作为本研究的对照。或其他研究资料作为本研究的对照。 对照的几种形式对照的几种形式 1 1、空白对照、空白对照 2 2、实验对照、实验对照 3 3、安慰剂对照、安慰剂对照 4 4、标准对照、标准对照 5 5、历史对照与正常值对照、历史对照与正常值对照 6 6、阴性对照与

4、阳性对照、阴性对照与阳性对照 对照的设计方案对照的设计方案 设计对照要注意的问题设计对照要注意的问题1 1、空白对照、空白对照 空白对照空白对照: :即对照组不加任何处理因素即对照组不加任何处理因素 实验组：实验组：T TS S1 1eeS S1 1 对照组：对照组：0 0S S2 200S S2 2 注注:T:T为处理因素为处理因素;S;S为非处理因素为非处理因素;e;e为实验效应为实验效应如果如果S S1 1 = S = S2 2 实验后得到的实验后得到的S S1 1和和S S2 2也必然相等。也必然相等。 那么效应那么效应e e必然是必然是T T作用的结果。作用的结果。例: 使用新药使用

5、新药A A治疗高血压，结果实验组血压下降治疗高血压，结果实验组血压下降20mmHg20mmHg，对照组血压下降，对照组血压下降5mmHg5mmHg，两组相差两组相差15mmHg15mmHg。如果。如果S S1 1=S=S2 2，那么，那么S S1 1=5mmHg=5mmHg，S S2 2=5mmHg=5mmHg。所以说实验组多下降。所以说实验组多下降15mmHg15mmHg应当是实验药应当是实验药A A的效应的效应。 T( ？) + S1( 5 ) = 20 0 + S2( 5 ) = 5 152 2、实验对照、实验对照 实验对照：实验对照：指给对照组施加与实验组操作条件一指给对照组施加与实验

6、组操作条件一 致的致的干扰因素干扰因素。凡是对实验结果有影响的操作、溶。凡是对实验结果有影响的操作、溶媒、试剂等都应该设立实验对照媒、试剂等都应该设立实验对照 常用的实验对照有：常用的实验对照有： 实验操作对照实验操作对照:给对照组施加与实验组条件一给对照组施加与实验组条件一致的操作称为操作对照，操作对照在于控制操作影致的操作称为操作对照，操作对照在于控制操作影响产生的误差。响产生的误差。 药物溶媒对照药物溶媒对照:以性状相同的溶媒作对照可防以性状相同的溶媒作对照可防止误将溶媒的作用当作药物的作用，得出假阳性结止误将溶媒的作用当作药物的作用，得出假阳性结果。果。3 3、安慰剂对照、安慰剂对照

7、1 1、安慰剂与安慰剂效应、安慰剂与安慰剂效应 安慰剂安慰剂: :是指外观等与受试药物相同且无药理是指外观等与受试药物相同且无药理活性的物质，在临床研究中用来替代受试药物。活性的物质，在临床研究中用来替代受试药物。安慰剂应该在剂型、包装、颜色、大小、形状、安慰剂应该在剂型、包装、颜色、大小、形状、气味等外观上完全与处理组受试药物一样，使气味等外观上完全与处理组受试药物一样，使病人不能分辨，否则导致安慰剂的失效和实验病人不能分辨，否则导致安慰剂的失效和实验的失败。的失败。 安慰剂效应安慰剂效应: :安慰剂产生与药物相似的药理作安慰剂产生与药物相似的药理作用。包括产生主观感觉和客观指征的变化用。包

8、括产生主观感觉和客观指征的变化2 2、安慰剂对照的设立、安慰剂对照的设立 给对照组受试者使用无药理活性的安慰剂称安慰剂对照。给对照组受试者使用无药理活性的安慰剂称安慰剂对照。 原则是在不损害病人健康的前提下使用。危重、病情发展迅速的病人，不得使原则是在不损害病人健康的前提下使用。危重、病情发展迅速的病人，不得使用安慰剂。用安慰剂。 安慰剂对照与双盲法同时实施效果更好。安慰剂对照与双盲法同时实施效果更好。 对受精神因素影响较大的慢性疾病，应尽量对受精神因素影响较大的慢性疾病，应尽量采用安慰剂对照；采用安慰剂对照； 新药和老药新用治疗慢性病的临床试验最好新药和老药新用治疗慢性病的临床试验最好设立安

9、慰剂对照；设立安慰剂对照； 轻度精神忧郁、癔病可以使用安慰剂作为心轻度精神忧郁、癔病可以使用安慰剂作为心理治疗的一部分；理治疗的一部分； 诊断已确定不需要药物治疗的病人可作安慰诊断已确定不需要药物治疗的病人可作安慰剂对照剂对照。4 4、标准对照、标准对照 标准对照又称有效对照，要注意选择疗效被标准对照又称有效对照，要注意选择疗效被公认或肯定的药物或疗法，而且与所试验的公认或肯定的药物或疗法，而且与所试验的药物或疗法是属于同一类型的。药物或疗法是属于同一类型的。 不能用安慰剂对照时，可用标准对照。即用不能用安慰剂对照时，可用标准对照。即用公认的标准疗法公认的标准疗法( (或常规疗法或常规疗法)

10、)作对照。作对照。 例如：试验人参皂甙的抗心肌缺血作用，可例如：试验人参皂甙的抗心肌缺血作用，可用已知的有效药物普萘洛尔或长效硝酸酯类用已知的有效药物普萘洛尔或长效硝酸酯类作对照。作对照。5 5、历史对照与正常值对照、历史对照与正常值对照 历史对照：是将研究者以往的研究结果或历史对照：是将研究者以往的研究结果或文献上他人的研究结果与本次研究结果作文献上他人的研究结果与本次研究结果作对比对比 缺点：难以实现前后的一致性，违背实验缺点：难以实现前后的一致性，违背实验设计的均衡性原则，一般不主张采用。设计的均衡性原则，一般不主张采用。 采用正常值作对照也存在如何均衡的问题，采用正常值作对照也存在如何

11、均衡的问题，应用时要注意指标应无波动性，不受时间应用时要注意指标应无波动性，不受时间和地域的影响。和地域的影响。6 6、阴性对照与阳性对照、阴性对照与阳性对照在毒理学和药理学研究的一些实验中通常要设立阴性对照与阳性对照组。（如：三致）对评价方法的可靠性有重要意义设计方案设计方案1 1、配对对照：、配对对照：节省样本，提高效率。节省样本，提高效率。主要是减主要是减少个体间的差异少个体间的差异。 同源配对：实验前后、同一个体左右器官同源配对：实验前后、同一个体左右器官 异体配对：同卵双胎、同窝动物异体配对：同卵双胎、同窝动物2 2、组间对照、组间对照( (平行对照平行对照):):适用于不能应用配对

12、适用于不能应用配对对照的情况。其缺点是组间差异较大，所需要对照的情况。其缺点是组间差异较大，所需要的样本数要更多些的样本数要更多些3 3、交叉对照、交叉对照 交叉对照交叉对照 不宜作空白对照设置。用同一批动物或人作不宜作空白对照设置。用同一批动物或人作两种甚至两种以上处理，适合比较短期作用的两种甚至两种以上处理，适合比较短期作用的药物，且两药中间必须间隔足够的时间使作用药物，且两药中间必须间隔足够的时间使作用消失。病情等条件必须基本不变，否则就失去消失。病情等条件必须基本不变，否则就失去可比性。可比性。 某人研究杀虫剂污染粮食以后对动物健康的影某人研究杀虫剂污染粮食以后对动物健康的影响，设立三

13、组。响，设立三组。 第一组：以污染的米作饲料第一组：以污染的米作饲料 第二组：以污染的米糠作饲料第二组：以污染的米糠作饲料 第三组：以非污染米作饲料第三组：以非污染米作饲料 还应设立一组未污染的米糠组还应设立一组未污染的米糠组例如：对某药A进行临床试验，用B药作安慰剂对照，C药作已知有效药对照，可作拉丁方交叉排列：第一组病人：第一组病人：A A药药-B-B药药-C-C药药第二组病人：第二组病人：B B药药-C-C药药-A-A药药第三组病人：第三组病人：C C药药-A-A药药-B-B药药二、随机原则（二、随机原则（RandomizationRandomization）概念：概念：随机抽样随机抽样

14、: :总体中每个个体有相同的机会被抽到样本中来总体中每个个体有相同的机会被抽到样本中来随机分组随机分组: :每个实验对象分配到不同处理组的机会相同。每个实验对象分配到不同处理组的机会相同。随机实验顺序：每个实验对象接受处理先后的机会相同随机实验顺序：每个实验对象接受处理先后的机会相同 目的：目的：在于克服偏性，避免人为因素的主观影在于克服偏性，避免人为因素的主观影响和其他因素。响和其他因素。 方法：方法：抽签法抽签法( (简单随机、半随机、单纯随机抽样简单随机、半随机、单纯随机抽样) )随机数目表法随机数目表法、随机排列表随机排列表：分两组、分三组：分两组、分三组计算器随机数法计算器随机数法(

15、 (略略) )随机数目表法随机数目表法 分两组随机方法分两组随机方法 分三组或三组以上的随机法分三组或三组以上的随机法动物号动物号1 12 23 34 45 56 67 78 89 9101011111212131314141515随机数随机数33333535727267674747777734345555454570708 81818272738389090除除3 3余数余数0 02 20 01 11 12 21 11 10 01 12 20 00 02 20 0分分 组组A AC CA AB BB BC CB BB BA AB BC CA AA AC CA A随机数目表法随机数目表法初步结

16、果 A组：1、3、9、12、13、15（6)6) B组：4、5、7、 8、10 （5 5） C组：2、6、11、14 （4 4）最后结果 A组：1、3、 9、13、15 B组：4、5、 7、 8、10 C组：2、6、11、14、12 三、重复原则（三、重复原则（ReplicationReplication） 意义：实验的样本量要足够大经得起重复意义：实验的样本量要足够大经得起重复实验的考验。实验的考验。“一个不可重复的研究是没有科一个不可重复的研究是没有科学性的学性的”。 设计样本数时要考虑的因素设计样本数时要考虑的因素 1 1、处理的效果、处理的效果 2 2、实验误差：、实验误差： 3 3、

17、资料性质：等级分组、资料性质：等级分组 计数资料计数资料 计量资料的样本量计量资料的样本量 4 4、显著性水平：样本量、显著性水平：样本量a0.01a0.01大于大于a0.05a 随机区组设计随机区组设计 配对设计配对设计 拉丁方设计拉丁方设计样本大小的估计样本大小的估计 1 1、一般情况下预定样本的大小、一般情况下预定样本的大小 (1)(1)动物实验：动物实验： 大动物（犬、猫）大动物（犬、猫）5-155-15只只 中等动物（兔、豚鼠）中等动物（兔、豚鼠）10-2010-20只只 小动物（大鼠、小鼠）小动物（大鼠、小鼠）15-3015-30 (2) (2)临床：难治愈的病，疗效显著时：临床：

18、难治愈的病，疗效显著时：5-105-10例，例， 急性病死亡率高的：急性病死亡率高的：30-5030-50例，例， 一般慢病：一般慢病：200-300-500200-300-500例例2 2、用计算法估计、用计算法估计(1)(1)了解基本数据了解基本数据(2)(2)确定条件：确定条件：确定确定P P值值确定把握度确定把握度确定是单侧还是双侧确定是单侧还是双侧3 3、计算样本大小的公式与举例、计算样本大小的公式与举例关于对照组样本大小的确定关于对照组样本大小的确定 当当n n1 1+n+n2 2之和不变时，之和不变时，n n1 1与与n n2 2的乘积以的乘积以n n1 1=n=n2 2时最时最

19、大大例例 题题1 1、两个率比较样本大小的计算、两个率比较样本大小的计算2 2、计量资料配对比较或样本均数与总体比较、计量资料配对比较或样本均数与总体比较样本量估计样本量估计3 3、计量资料两组间比较样本量估计、计量资料两组间比较样本量估计4 4、计量资料多组实验样本量确定、计量资料多组实验样本量确定两个率比较样本大小的计算两个率比较样本大小的计算 n = n n：每组所需样本含量：每组所需样本含量 p p1 1、p p2 2：分别为总体率的估计值：分别为总体率的估计值 P=(PP=(P1 1+ +P P2 2)/2)/22P(1-P) (u+ u)2( p1-p2)2n例一例一: :用两种中

20、药治疗乙肝表面抗原用两种中药治疗乙肝表面抗原(HBsAg)(HBsAg)转阴的疗效，初筛甲药转阴率约转阴的疗效，初筛甲药转阴率约3030，乙药，乙药约约5050，取，取=0.05,=0.05,把握度把握度1-=0.9,1-=0.9,问各问各组需要多少病才能显示差异具有统计学意义组需要多少病才能显示差异具有统计学意义 ？ 本例计算法：本例计算法：p p1 1 =0.5 =0.5 p p2 2 =0.3 P=0.4 =0.05 =0.3 P=0.4 =0.05 =0.10, =0.10, 双侧双侧, ,查表查表 u=1.96=1.96 u=1.28=1.28 故每组需要故每组需要126126例。例

21、。查表法：查表法：查表查表( (双侧表双侧表) )，根据本例，根据本例=0.05 =0.05 、1-1-=0.90=0.90，较小率差，较小率差=50%-30%=20%=50%-30%=20%，=0.05=0.05时，时，n=125n=125 计算法为计算法为126126例例, ,查表法查表法125125例例, ,相差相差3.2%3.2%n =2 0.4 (1-0.4)(0.50.3)2(1.96+1.28)2 126样本估计的样本估计的u u 与与u u 值值 或或 u u单侧单侧双侧双侧0.012.322.582.320.051.651.961.650.101.281.651.280.20

22、0.841.280.84计量资料配对比较或样本均数与总计量资料配对比较或样本均数与总体比较实验样本量估计体比较实验样本量估计例二例二：门诊观察发现，某中药对再生障碍性门诊观察发现，某中药对再生障碍性贫血具有一定疗效，经一疗程治疗后，可使贫血具有一定疗效，经一疗程治疗后，可使HbHb平均升高平均升高3g/dl3g/dl，标准差为，标准差为5.5g/dl 5.5g/dl ，现，现欲用住院病人确定疗效，拟取欲用住院病人确定疗效，拟取=0.05=0.05，问需要观察多少住院病人？问需要观察多少住院病人？本例： =3，S=5.5 单侧= =0.05 =0.05 查表 u = u =1.65， n=(S/

23、 )2(u+u)2 =(5.5/3)2(1.65+1.65)2 =37例查表法查表法：请附查表：请附查表5 5，得，得n=38n=38例例计量资料两组间比较样本量估计计量资料两组间比较样本量估计例三：例三： 研究黄芪与生血散对粒细胞减少症的疗效，据以往经验研究黄芪与生血散对粒细胞减少症的疗效，据以往经验黄芪可升黄芪可升10001000个个/ / l l生血散可升生血散可升20002000个个/ / l l。两组合并标准差估。两组合并标准差估计约计约18001800个个/ / l l。拟取双侧。拟取双侧=0.05=0.05，=0.10=0.10，问每组需观察多，问每组需观察多少病例？少病例？本例

24、：S=1800 S=1800 =2000-1000=1000=2000-1000=1000 双侧=0.05=0.05，=0.10=0.10 u=1.96 =1.96 u=1.28=1.28代入公式 n=n=2(S/ )2(u+ u)2 = =2(1800/1000)2(1.96+1.28)2 =69 =69例查表法:查附表4 /S=0.56, 利用内插法求出：0.56-0.55 n-71 0.60-0.56 60-n= /S=0.55 n=71 /S=0.60 n=60 /S=0.56 n=?n=68.8内插法计量资料多组比较样本量确定计量资料多组比较样本量确定kikiikXxksin1122

25、2) 1/()(/ )/( 式中n n为各组所需样本例数，x xi i和s si i分别为第i i个样本的均数和标准差的初估值， X X= = ，k k为组数。 值由附表查得。据 ， ， 1 1=k-1, =k-1, 2 2=,=,查得 值代入公式求得n n1 1，第二次由 1 1=k-1=k-1， 2 2=k(n=k(n1 1-1)-1)查 值，代入式中求n n2 2，依次进行，直至前后两次求得结果趋于稳定为止，即所求样本例数。 当区组随机设计时，第一次 2 2=(k-1)(n-1)=(k-1)(n-1)，式中 用误差均方代替。 kiikx1/kiikx1/完全随机设计时 值计算法例：拟用A

26、 A、B B、C C三种方案治疗贫血患者，估计治疗后血红蛋白含量（g/lg/l）增加的均数分别为17.217.2、11.811.8、15.615.6，标准差分别为8.08.0、7.17.1、7.97.9，设 0.050.05， 0.10.1，若要得出差别有显著意义的结论，每组需要观察多少例？本例 X XA A=17.2=17.2， X XB B=11.8,=11.8, X XC C=15.6=15.6；S SA A=8.0=8.0，S SB B=7.1=7.1，S Sc c=7.9=7.9； =0.05=0.05， =0.1=0.1。 X X(17.2+11.8+15.6)/3(17.2+11

27、.8+15.6)/314.8714.87 2 2= ( 1 7 . 2 - 1 4 . 8 7 )= ( 1 7 . 2 - 1 4 . 8 7 )2 2+ ( 1 1 . 8 - 1 4 . 8 7 )+ ( 1 1 . 8 - 1 4 . 8 7 )2 2+ ( 1 5 . 6 -+ ( 1 5 . 6 -14.87)14.87)2 2=5.39=5.39 8.08.02 2+7.1+7.12 2+7.9+7.92 2176.82176.82 以 = 0 . 0 5 , = 0 . 0 5 , = 0 . 1 , = 0 . 1 , 1 1= k - 1 = 3 - 1 = 2 , = k

28、 - 1 = 3 - 1 = 2 , 2 2= , = , 查 表 得 0.050.05, ,0.1,2,0.1,2,=2.52=2.52代入式中n n1 1 =2.52 =2.522 2(176.82/3)/15.39/(3-1) =48.649(176.82/3)/15.39/(3-1) =48.649若 =0.05=0.05， =0.1=0.1， 1 1=k-1=3-1=2=k-1=3-1=2， 2 2=k(n=k(n(1)(1)-1)=3(49-1)=144-1)=3(49-1)=144，查表中 2 2无144144值，故取近似值 2 2120120，得 0.050.05, ,0.1,

29、2, 0.1,2, =2.25=2.25，代入式中： n n2 22.552.552 2(176.82/3)/15.39/(3-1) (176.82/3)/15.39/(3-1) 49.85049.850两次结果相近，故可以认为每组需要观察5050例。kiXx1)(kiis12四、均衡原则（四、均衡原则（balancebalance） 均衡原则均衡原则（balancebalance）指各处理组非实验因素）指各处理组非实验因素均衡一致。均衡一致。 均衡的方法均衡的方法 交叉均衡法交叉均衡法 分层均衡法分层均衡法 均衡性检查均衡性检查第一种设计第一种设计:均衡性差均衡性差ADIADI+ +乙乙10

30、0100甲甲100100ADIADI第二种设计：交叉均衡第二种设计：交叉均衡甲甲乙乙5050ADIADI+ +5050ADIADI5050ADIADI+ +5050ADIADI分层均衡法分层均衡法 又称分层随机法又称分层随机法 目的：目的：增强组间的可比性。增强组间的可比性。 要求：要求：每一层内反应值的变异越小越好，层间的差别尽量显著。每一层内反应值的变异越小越好，层间的差别尽量显著。 例例1 1：采用采用4 4种处理方法观察其处理以后对受试者种处理方法观察其处理以后对受试者皮肤温度皮肤温度的影响，观察的影响，观察3232例例病人，分四组，每种处理方法病人，分四组，每种处理方法8 8人处理方

31、案。人处理方案。 设计方案有以下两种：设计方案有以下两种：第一种设计第一种设计（非分层）（非分层）实验日期实验日期 受试人数受试人数 处理方案处理方案 1 8 A 2 8 B 3 8 C 4 8 D 第二种设计第二种设计（分层）（分层） 每日四种处理的设计每日四种处理的设计 实验实验日期日期处处 理理A AB BC CD D1 12 22 22 22 22 22 22 22 22 23 32 22 22 22 24 42 22 22 22 2均衡性检查均衡性检查例例2 2：比较复方青黛与马利兰治疗慢性粒细胞比较复方青黛与马利兰治疗慢性粒细胞白血病的疗效，预定观察白血病的疗效，预定观察2020例

32、，每组例，每组1010例，例，按完全随机已收治按完全随机已收治1717例，如果新来一例符合例，如果新来一例符合受试条件，是青年，男性，病情较重，确诊受试条件，是青年，男性，病情较重，确诊已达一年半，若将此患者纳入，应进行均衡已达一年半，若将此患者纳入，应进行均衡性检查。性检查。已有病例分层情况复方青黛与马利兰治疗分组（分层情况）复方青黛与马利兰治疗分组（分层情况）性性 别别 年年 龄龄 病情病情 病病 程程男男 女女 中中 青青 轻轻 中中 重重 1y 1y复方青黛组复方青黛组 4 5 6 3 4 3 2 5 4马马 利利 兰兰 组组 5 3 4 4 2 3 3 3 5组组 差（差（di） 1

33、 2 2 1 2 0 1 2 1分至马利兰组分至马利兰组 2 2 2 2 分至青黛组分至青黛组 0 0 0 0分到马利兰：分到马利兰：di=1216 青黛组：青黛组： di=128五、盲法原则五、盲法原则(blandness)(blandness)盲法的定义单盲法(Single blandness)(Single blandness)双盲法(double blandness)(double blandness) 存在的问题 注意事项三盲法(triple blandness(triple blandness) ) 盲法：盲法：是指按试验方案的规定，不让是指按试验方案的规定，不让参与研究的受试者和（或）观察者、其他有关参与研究的受试者和（或）观察者、其他有关工作人员知道病人所接受的是何种处理工作人员知道病人所接受的是何种处理( (试验试验药或对照药药或对照药) )，从而避免他们对实验结果的人，从而避免他们对实验结果的人为干扰和心理因素的影响。为干扰和心理因素的影响。单盲法：单盲法：在研究中，受试对象不知道自己接在研究中，受试对象不知道自己接受的是什么处理，而观察者知道。受的是什么处理，而观察者知道。优点：优点：可避免研究对象的主观因素所致的偏可避免研究对象的主观因素所致的偏差。差。2.2.双盲法：双盲法：受试者和承担观察任务的研究人员受试者和承担观察任务的研究人员均不知道每个