实验设计讲座

1、2021/8/121烦恼有何惧怕，既然躲不掉，就调好心态与它共存。心向阳光，何惧风霜。茫茫人海你我相遇就是缘分，欢迎下载！第十三章第十三章 实验设计实验设计（Experiment Design)Experiment Design)一、一、医学科研方法分类医学科研方法分类二、二、实验设计的基本原则实验设计的基本原则三、三、实验设计的基本要素实验设计的基本要素四、四、误差和偏倚误差和偏倚五、常用的实验设计方法五、常用的实验设计方法六、六、样本含量的计算样本含量的计算一、医学科研方法分类一、医学科研方法分类实验研究实验研究Experiment调查研究调查研究Survey医学科研方法分类医学科研方法分

2、类未加任何干预措施未加任何干预措施主动加以干预措施主动加以干预措施实验研究实验研究调查研究调查研究实验研究与调查研究的主要区别实验研究与调查研究的主要区别实验研究与调查研究的主要区别实验研究与调查研究的主要区别实验研究的分类实验研究的分类b.临床试验临床试验(clinical trial)实验研究实验研究a.基础实验基础实验(basic experiment)c.现场试验现场试验(field trial)现场试验又称社区干预试验现场试验又称社区干预试验（community intervention trial)二、实验设计的基本原则二、实验设计的基本原则基本原则基本原则随机化原则随机化原则对照

3、原则对照原则重复的原则重复的原则随机化的原则随机化的原则二、实验设计的基本原则二、实验设计的基本原则意义意义 提提高高组组间间均均衡衡性性得得到到随随机机变变量量应用应用随随机机抽抽样样随随机机分分组组随随机机确确定定实实验验顺顺序序方法方法抽签法抽签法随机数字表法随机数字表法随机排列表法随机排列表法其它法其它法随机化的意义、应用及方法随机化的意义、应用及方法对照的原则对照的原则二、实验设计的基本原则二、实验设计的基本原则对照的意义对照的意义排除或控制自然变化和非处理因素对观察结果的影响排除或控制自然变化和非处理因素对观察结果的影响消除或减少实验误差消除或减少实验误差其它作用其它作用找出综合因

4、素中的主要有效因素找出综合因素中的主要有效因素验证实验方法的可靠性验证实验方法的可靠性修正实验数据修正实验数据找出实验的最适条件找出实验的最适条件分析实验中的问题或差错原因分析实验中的问题或差错原因常见对照形式常见对照形式安慰剂对照安慰剂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历史对照历史对照潜在对照潜在对照空白对照空白对照对照形式对照形式2021/8/1212n9、 人的价值，在招收诱惑的一瞬间被决定。2022-3-112022-3-11Friday, March 11, 2022n10、低头要有勇气，抬头要有低气。2022-3-112022-3-112022-3-113/11/

5、2022 10:07:25 PMn11、人总是珍惜为得到。2022-3-112022-3-112022-3-11Mar-2211-Mar-22n12、人乱于心，不宽余请。2022-3-112022-3-112022-3-11Friday, March 11, 2022n13、生气是拿别人做错的事来惩罚自己。2022-3-112022-3-112022-3-112022-3-113/11/2022n14、抱最大的希望，作最大的努力。2022年3月11日星期五2022-3-112022-3-112022-3-11n15、一个人炫耀什么，说明他内心缺少什么。2022年3月2022-3-112022-

6、3-112022-3-113/11/2022n16、业余生活要有意义，不要越轨。2022-3-112022-3-11March 11, 2022n17、一个人即使已登上顶峰，也仍要自强不息。2022-3-112022-3-112022-3-112022-3-11重复的原则重复的原则二、实验设计的基本原则二、实验设计的基本原则重复的意义及样本含量的确定方法重复的意义及样本含量的确定方法意义意义消除非处理因素影响的另一重要手段消除非处理因素影响的另一重要手段验证实验结果的真实可靠性验证实验结果的真实可靠性重复程度表现为样本含量的大小和重复次数的多少重复程度表现为样本含量的大小和重复次数的多少确定样

7、本含量的方法确定样本含量的方法查表法查表法公式计算法公式计算法三、实验设计的基本要素三、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基本要素基本要素处理因素处理因素三、实验设计的基本要素三、实验设计的基本要素处理因素处理因素注意以下几点注意以下几点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，如处理因素是指药品，应确定药品处理因素应当标准化，如处理因素是指药品，应确定药品的名称、性质、成份、作用、用法，明确生产厂家、药品的名称、性质、成份、作用、用法，明确生产厂家、药品批号、出厂日期及保存方法等。批号、出厂日期及保存方法等。根据研究目的而施加的特定实

8、验措施根据研究目的而施加的特定实验措施处理因素的概念及注意事项处理因素的概念及注意事项抓住实验中的主要因素抓住实验中的主要因素受试对象受试对象三、实验设计的基本要素三、实验设计的基本要素动物：种属、品系、年龄、性别、窝别、毛色、体动物：种属、品系、年龄、性别、窝别、毛色、体重、健康状况重、健康状况微生物、寄生虫、细胞等：门、纲、目、科、属、微生物、寄生虫、细胞等：门、纲、目、科、属、群、株群、株病人病人正常人正常人分类分类人人受试对象的概念及分类受试对象的概念及分类受试对象受试对象接受实验的被研究对象。接受实验的被研究对象。 选入标准选入标准Eligibility criteria 纳入标准纳

9、入标准Inclusion criteria 排除标准排除标准Exclusion criteria受试对象的选入标准受试对象的选入标准选入标准应用条文明确规定，成为书面形式！选入标准应用条文明确规定，成为书面形式！实验效应实验效应三、实验设计的基本要素三、实验设计的基本要素实验效应实验效应实验效应的概念及选择指标的要求实验效应的概念及选择指标的要求主要指处理因素作用于实验对象的反应，主要指处理因素作用于实验对象的反应，这种效应通过观察指标显示出来。这种效应通过观察指标显示出来。选择指标的要求选择指标的要求关联性关联性客观性客观性灵敏性灵敏性特异性特异性精确性精确性稳定性稳定性准确度准确度( (a

10、ccuracy)accuracy)精密度精密度( ( precision)precision) 川芎嗪对新生大鼠缺氧川芎嗪对新生大鼠缺氧缺血性脑损伤的保护作用缺血性脑损伤的保护作用例例1 1 通过对各实验组动物脑组织通过对各实验组动物脑组织MDAMDA、SODSOD、NONO生化生化指标的比较，进一步阐明氧自由基及指标的比较，进一步阐明氧自由基及NONO损伤在新生损伤在新生儿儿HIEHIE的发病机制中的重要作用及川芎嗪抗新生儿的发病机制中的重要作用及川芎嗪抗新生儿HIEHIE的作用机制。的作用机制。 江西医学院实验动物部提供江西医学院实验动物部提供7 7日龄日龄SDSD新生大鼠，雌新生大鼠，雌

11、雄各半。数量共雄各半。数量共4040只只研究目标研究目标研究对象研究对象研究目标和研究对象研究目标和研究对象对照及分组情况对照及分组情况 按随机区组设计如下：假手术组、按随机区组设计如下：假手术组、HIHI组、川芎嗪组、川芎嗪组组和川芎嗪和川芎嗪组共四组，每窝组共四组，每窝4 4只鼠为一区组，共只鼠为一区组，共1010窝，每窝窝，每窝随机分配至各处理组。随机分配至各处理组。分组分组假手术组假手术组HIHI组组川芎嗪川芎嗪组组川芎嗪川芎嗪组组 为对照组。只切开皮肤游离左颈总动脉，不为对照组。只切开皮肤游离左颈总动脉，不进行缺氧处理。于缺氧前进行缺氧处理。于缺氧前3030分钟腹腔注射等量生分钟腹腔

12、注射等量生理盐水。理盐水。假手术组假手术组HIHI组组 结扎左颈总动脉，并缺氧结扎左颈总动脉，并缺氧2 2小时。于缺氧小时。于缺氧前前3030分钟腹腔注射等量生理盐水。分钟腹腔注射等量生理盐水。川芎嗪川芎嗪组：组： 结扎左颈总动脉，并缺氧结扎左颈总动脉，并缺氧2 2小时。于缺氧前小时。于缺氧前3030分钟腹腔注射川芎嗪注射液分钟腹腔注射川芎嗪注射液100100mg/Kgmg/Kg。川芎嗪川芎嗪组组于于HIHI后即刻腹腔注射川芎嗪注射液后即刻腹腔注射川芎嗪注射液100100mg/Kgmg/Kg。采用随机区组实验设计方差分析及采用随机区组实验设计方差分析及X X2 2检验检验统计分析方法统计分析方

13、法四、误差和偏倚四、误差和偏倚误误 差差( (error)error)误差的概念及分类误差的概念及分类误差误差( (error)error)泛指实测值与真值之差泛指实测值与真值之差随机误差随机误差非随机误差非随机误差非系统误差非系统误差系统误差系统误差误差的分类误差的分类偏偏 倚倚（bias）四、误差和偏倚四、误差和偏倚偏倚偏倚偏倚的概念及种类偏倚的概念及种类在实验过程中由于某些非实验因素的干扰在实验过程中由于某些非实验因素的干扰所形成的系统误差。所形成的系统误差。种类种类选择性偏倚（选择性偏倚（selection bias)selection bias)测量性偏倚（测量性偏倚（measure

14、ment bias)measurement bias)混杂性偏倚（混杂性偏倚（confounding bias)confounding bias)选择性偏倚选择性偏倚 选择性偏倚的概念及其防止措施选择性偏倚的概念及其防止措施由于纳入观察对象的方法不正确而产生的偏倚。由于纳入观察对象的方法不正确而产生的偏倚。防止措施防止措施 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 采用分层抽样的方法采用分层抽样的方法正确设立对照组正确设立对照组贯彻随机化原则贯彻随机化原则测量性偏倚的概念测量性偏倚的概念测量性偏倚测量性偏倚在实验过程中对研究对象进行观察在实验过程中对研究对象进行观察或测

15、量而造成的偏倚。或测量而造成的偏倚。导致测量性偏倚常见因素导致测量性偏倚常见因素依从依从( (compliance)compliance)和非依从和非依从( (noncompliance)noncompliance)常常见见因因素素沾染沾染( (contamination) contamination) ：使差异缩小使差异缩小干扰（干扰（co-intervention)co-intervention)：使差异扩大使差异扩大 失访：失访率失访：失访率20%20%检查结果和诊断结果的不一致（检查结果和诊断结果的不一致（disagreement)disagreement)可采用可采用KappaKap

16、pa检验进行一致性判断检验进行一致性判断观察记录的失误观察记录的失误 规定记录的方式、时间、记录本、规定记录的方式、时间、记录本、记录人员、定期检查可避免记录人员、定期检查可避免心理因素的干扰心理因素的干扰测量性偏倚的防止措施测量性偏倚的防止措施单盲法单盲法双盲法双盲法三盲法三盲法防止措施防止措施盲法（盲法（blind method)blind method)签订实验合同签订实验合同检查实验对象的依从性情况检查实验对象的依从性情况注意医德注意医德定期检查研究记录定期检查研究记录提高诊断一致性提高诊断一致性严格实验设计和实验操作严格实验设计和实验操作混杂性偏倚的概念及其防止与控制措施混杂性偏倚的

17、概念及其防止与控制措施混杂性偏倚混杂性偏倚在总结分析阶段，由于某些非实验因素与实验因素同时在总结分析阶段，由于某些非实验因素与实验因素同时并存的作用影响到观察结果，造成混杂性偏倚并存的作用影响到观察结果，造成混杂性偏倚防防止止与与控控制制措措施施严格实验设计，精选研究对象严格实验设计，精选研究对象贯彻随机原则贯彻随机原则分层分析分层分析多因素分析多因素分析样本均数与总体均数比较（或配对比较）2suuu六、常用的估计样本含量的方法六、常用的估计样本含量的方法 例：用某药治疗矽肺患者，估计可增加尿的排出量，标准差89.0mmol/L,要求以=0.05，=0.10的概率，能够辨别出尿的排出量平均增加

18、35.6mmol/L，需观察多少例矽肺患者？本例：=35.6；S=89.0；单侧=0.05, =0.10, 282. 1,645. 11 . 005. 0单单uu。代入上式 5455.536 .350 .89282. 1645. 122suun 约需治疗 54 例矽肺患者。 （本例也可查表求样本含量） nuucunubuuna2222、估计总体参数的差异、估计检验效能、估计最低样本含量两样本均数比较 A、两样本含量相等 例：A、B两种处理的动物冠状静脉血流量实验，A处理平均增加血流量1.8ml/min， B处理平均增加血流量2.4ml /min，已知两处理标准差相等，均为1.0ml/min,=

19、0.05=0.10，要得出两处理有差别的结论，需观察多少实验动物？例：=1；双侧=0.05，=0.10，282. 1,960. 1, 6 . 08 . 14 . 210. 005. 0单uu 11778.116061282. 1960. 12222suun 两组会计所需样本 117 例，每组约需动物 59 例。 （本例也可查表求样本含量） B B、两样本含量不等、两样本含量不等 nQQuuunnUQQnuQQuuuuQQn121121211112112221211211 Q1和 Q2为样本比例 （sample,paction） ， 当样本比例不等时， Q1+Q2=1；当两样本例数相等时 Q1+

20、Q2=0.5，4221211 QQ。 例1、用新药降低高血脂患者的胆固醇，研究者规定试验组与对照组（安慰剂）相比，平均降低20/L以上，才有实际推广应用价值。以参考文献中得知胆固醇的标准差为30/L。规定单例=0.05，=0.10，要求估计样本含量。 本例：规定，Q1=0.40，Q2=0.60；单例=0.05， ；=0.10，282. 1,645. 110. 005. 0单单uu；s=30 /L；=20 /L。 8020282. 1645. 16 . 04 . 03022112212112uuQQn 总例数 80 例；试验组例数 800.4=32 例；对照组例数 800.6=48 例。 若有条

21、件做到两组例数相等，则： 例772030282. 1645. 12222uun例： 用阻滞剂降低心肌梗塞患者血压随机双盲对照试验，结果如下表。现得到检验结果为t=1.54，0.2P0.1，无统计学意义，认为该药无降压效果。问结论是否可靠？ 两组心肌梗塞患者治疗后的收缩压（Kpa） 分组 样本含量 均数 标准差 试验 15 4.4 1.6 对照 15 15.3 1.6 本例：要求=0.67Kpa，双侧=0.05，960. 105. 0 u； S=1.6Kpa 81. 096. 11511516 . 167. 01121unnu 查 u 值表，1-=0.20900.21，则=1-0.21=0.79

22、 配对、交叉及试验前后比较 nuuunuuunddd2 例：研究碳酸铝对白细胞减少症的治疗效果，已知患者白细胞数治疗后比治疗前平均增加了109/L，标准差为1.2109/L。规定=0.05（双侧检验），=0.10，求样本含量。本例：双侧=0.05，960. 105. 0 u；=0.10，282. 1 u， =1109/L，Ld/102 . 19 。 例例1512 . 1282. 1960. 122 duun 两样本率比较 A、 例数相等时： unuuun 1214212212 n 为两组总例数，p1，p2为两组总体率， 为两组合并率。 B、例数不等时： 22211121212122211111

23、21111111111nnnnuuQQuQQun 例 1、用旧药治疗慢性肾炎的近控率为 30%，现试验新药疗效， 新药的近控率须达到 50%才有推广使用价值。 已知合并率 =40%； 定=0.05 （单侧） ，1=0.90，问每组需要多少病例？ 本例： p1=50%， p2 =30%， =40%， 645. 105. 0 单单u，282. 110. 0 u， 若要求两组例数相等，则： 例20630. 050. 04 . 014 . 04282. 1645. 114222212uun 两组总例数为 206 例，每组需 103 例。本例也可查表求得 n。 设新药组占 60%，旧药组占 40%，则：

24、 例例2093 . 05 . 04 . 03 . 013 . 06 . 05 . 015 . 0282. 14 . 06 . 04 . 014 . 0645. 1111211112122211111211 QQuQQun 新药组：2090.6=125 例 旧药组：2090.4=84 例 例 2、观察急性白血病患者化疗缓解与并发感染的关系，结果如 下： 急性白血病患者化疗缓解组与化疗未缓解组感染率比较 分组 样本含量 感染率（%） 化疗后缓解 17 88.2 化疗后未缓解 27 70.3 U=1.37，P0.05，差异无统计学意义，认为两组的总体感染率无差异， 设两组的总体感染率相差 30%以上

25、才有意义， =0.05 （双侧） ，问检验效能是否充分？ 本例：P1=0.882，P2=0.73；n1=17，n2=27；双侧=0.05， 960. 105. 0 u。因 x1=n1p1，x2=n2p2， 2121/nnxx 故 77. 02717703. 027882. 017/21211nnpnpn 371. 027703. 01703. 017882. 01882. 027117177. 0177. 096. 130. 0111112221112121 nnnnuu 查 u 值表，=0.352，1=10.352=0.6480.75. 配对计数资料配对计数资料 乙乙 法法 甲法甲法 合合

26、计计 a a b b a ab b c c d d 合计合计 a ac c 一般用一般用 x x2 2检验处理，检验处理， 2,222222cacbabuunuun 例：已知某菌种接种于甲、乙两种培养基的结果如下： 甲培养阳性、乙培养阴性 04. 0 甲培养阴性、乙培养阳性 24. 0 =0.05（双侧） ，=0.10，现准备研究一种新的与该 菌种相似的菌种，问需多少对样本？ 本例：=0.05（双侧） ，282. 1,10. 0,96. 1)(10. 005. 0 单单uu ，14. 0224. 004. 0,24. 0,04. 0 5704. 024. 014. 0/04. 024. 022

27、82. 1214. 096. 12222 uun 该实验至少应取 57 对样品。 估计总体均数 2 un 例：拟用单纯随机抽样方法，了解某地区成年男子血色素的平均水平，要求误差不超过2g/L，=0.05（双侧），从参考文献得知成年男子血色素的标准差约为25g/L，问需调查多少人？本例：=0.05(双侧)，960. 105. 0 u；=2g/L，Lg /25 。 人人60022596. 122 un 估计总体率 221 un 例：从文献得知，高血压患病率约为 8%，研究者要了解某地高血压患病率，要求误差不超过 2%，=0.05（双侧） ，问需调查多少人？ 本例：=0.05(双侧)，960. 10

28、5. 0 u，=0.02，=0.08 人70702. 008. 0108. 096. 112222un 直线相关的样本含量 unuuun 11ln23311ln42 例 1、根据参考文献估计=0.07，现定=0.05(双侧)，=0.10，282. 110. 0 u 例例1737 . 017 . 01ln282. 196. 14311ln422 uun 例 2、已知 n=10，r=0.65，规定=0.05（单侧） ，问检验效能是否充分？ 本例：n=10，r=0.65，=0.05(单侧)，645. 105. 0 u。 406. 0645. 165. 0165. 01ln231011ln23unu

29、查 u 值表，=0.3409，1-=10.3409=0.65910.75 两相关系数比较 uQQnuQQuun 12112121221211211221111ln61111ln4 两样本含量相等时： unuuun 2121221211111ln4661111ln16 例：已知 ,40. 0,70. 021 要求两样本例数相等，=0.05(单侧),=0.10，问需观察多大样本？ 本例：,40. 0,70. 021 =0.05(单侧)，282. 1,10. 0,645. 1)(10. 005. 0 单单uu 例18064 . 017 . 014 . 017 . 01ln282. 1645. 116

30、61111ln16222121uun 总共应观察 180 例，每组各观察 90 例。 多个样本均数比较 kiikiikxxksn121221/ n 为各样本所需例数； kiikxx1/；k 为组数； ix与 si分别为第 i 组样本的均数与标准差初估值；值是以、1、2查值表所得，1=k-1，2先以代入查表，用逐步逼近法，求得最终稳定的样本含量。 例：拟用A、B、C三种方案治疗血红蛋白小于100g/L的婴幼儿贫血患者，比较这三种方案的疗效。经预试验测得各方案治疗后血红蛋白增加的均数分别为：18.5g/L,13.2g/L,10.4g/L; 标准差分别为11.8g/L,13.4g/L,9.39g/L

31、;规定=0.05（双侧），=0.10，问各组需观察多少例？ 本例：,/4 .10,/2 .13,/5 .18LgxLgxLgxCBA Lgx/1434 .102 .135 .18 ，sA=11.8g/L,sB=13.4g/L,sC=9.3g/L 29.4053 . 94 .138 .1185.33)144 .10()0 .142 .13()0 .145 .18(2221222212 kiikiisxx 以=0.05（双侧） ，=0.10，1=k1=31=2，2=查值表，得0.05，0.10，2，=2.25 则 517.501385.33329.40552.21/2121221kiikiikxx

32、ksn 再 以 =0.05 （ 双 侧 ） ， =0.10 ， r1=k-1=3-1=2 ，r2=k(n(1)-1)=3(51-1)=150查 值 表 ， ( 取 近 似 值r2=120),Y0.05,0.10,2,120=2.55,n(2)=2.552(405.29/3)33.85/(3-1)=51.9 52,两 次 结 果 相 近 ，每 组 各 需 观察 52 例 。 （11）多个样本率比较 2min1max122/2pSinpSinn n 为每个样本所需观察例数； pmax与 pmin分别为最大率与最小率， 当仅知 pmax与 pmin的差值 pd时，则 pmax=0.5+(pd/2)，pmin=0.5-(pd/2)；当以、r=k-1，查值表，k 为组数。 例、拟在某小学观察三种矫治近视眼方法的效果,初得A法有效率为37.87%,B法有效率为18.75%,C法为27.78%。问每种方法各需观察多少例？ 本例： pmax=0.