常用医学实验设计

1、实验设计的基本要素降压药降压药高血压病人高血压病人血压值血压值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的基本原则对照原则对照原则 均衡原则均衡原则 随机原则随机原则 重复原则重复原则 常用医学实验设计常用医学实验设计Medical Experimental Design 梁海燕梁海燕新乡医学院公共卫生学院新乡医学院公共卫生学院（一）完全随机设计（一）完全随机设计（二）配对设计（二）配对设计（三）随机区组设计（三）随机区组设计常用实验设计方案（四）拉丁方设计（四）拉丁方设计（五）析因设计（五）析因设计（六）正交设计（六）正交设计一、完全随机设计一、完全随机设计(completel

2、y (completely random design)random design)完全随机设计完全随机设计将实验对象完全随机地分配到将实验对象完全随机地分配到实验组与对照组（或多个处理组）中然后分别给实验组与对照组（或多个处理组）中然后分别给予被试因素及对照物，对它们的效应进行同期平予被试因素及对照物，对它们的效应进行同期平行观察，最后对实验结果进行成组统计分析。行观察，最后对实验结果进行成组统计分析。完全随机设计亦称单因素设计，即只有完全随机设计亦称单因素设计，即只有1 1种种处理因素，但可以有多个水平。处理因素，但可以有多个水平。一、完全随机设计受试对象受试对象实验组实验组1，2，对照组

3、对照组随机化随机化各组样本含量可以相等，也可以不等，各组样本含量可以相等，也可以不等，但但相等时统计分析效率最高。相等时统计分析效率最高。完全随机化分组方法完全随机化分组方法1.1.将受试对象依次编号将受试对象依次编号; ;2.2.用抽签法、用抽签法、随机数字表法随机数字表法、随机排列表法随机排列表法把受试对象随机分配到各处理组中去。把受试对象随机分配到各处理组中去。完全随机设计的随机分配方法完全随机设计的随机分配方法 样本例数样本例数 2020，使用，使用随机排列表随机排列表 样本例数样本例数 2020，使用，使用随机数字表随机数字表1. 1. 将动物依次编号将动物依次编号1 1，2 2，.

4、18.182. 2. 从随机数字表中从随机数字表中从任一数字开始向任一方向从任一数字开始向任一方向查出查出1818个随机数字，依次抄录于动物编号个随机数字，依次抄录于动物编号下面下面3. 3. 按预先规定，将随机数字为偶数者分入按预先规定，将随机数字为偶数者分入A A组，组，为奇数者分入为奇数者分入B B组组4. 4. 组间调整组间调整方法一、随机数字表法分组方法一、随机数字表法分组例例1 1 试将性别相同、体重相近的试将性别相同、体重相近的1818只实验只实验动物等分到动物等分到A A、B B两组。两组。动动物物号号123456789101112131415161718随随机机数数字字162

5、277943949544354821737932378873520组组别别AABABBABAABBBBABBA用随机数字表进行分组用随机数字表进行分组初步分配结果初步分配结果组组别别动物号动物号A12479101518B3568111213141617组间调整：接着摘抄一个随机数字，组间调整：接着摘抄一个随机数字，9696，除以，除以1010的余数为的余数为6 6，故把，故把1212号动物分至号动物分至A A组中。组中。 最终分配结果最终分配结果组组别别动物号动物号A1247910151812B356811131416171. 1. 将动物依次编号将动物依次编号1 1，2 2，.30.302.

6、 2. 从随机数字表中从随机数字表中从任一数字开始向任一方向从任一数字开始向任一方向查出查出3030个随机数字，依次抄录于动物编号下面个随机数字，依次抄录于动物编号下面3. 3. 求出每个随机数字被求出每个随机数字被3 3除后的余数除后的余数4. 4. 按预先规定，将余数为按预先规定，将余数为0 0者分入者分入A A组，为组，为1 1者分入者分入B B组，为组，为2 2者分入者分入C C组。组。5. 5. 组间调整组间调整方法一、随机数字表法分组方法一、随机数字表法分组例例2 2 试将性别相同、体重相近的试将性别相同、体重相近的3030只实只实验动物等分到验动物等分到A A、B B、C C三组

7、。三组。方法二、随机数字表法分组方法二、随机数字表法分组对象对象编号编号123456789101112131415随机随机数字数字除以除以3的余的余数数组别组别对象对象编号编号161718192021222324252627282930随机随机数字数字除以除以3的的余数余数组别组别方法二、随机数字表法分组方法二、随机数字表法分组对象对象编号编号123456789101112131415随机随机数字数字495443548217379323788735209643除以除以3的余的余数数101012102002201组别组别BABABCBACAACCAB对象对象编号编号161718192021222

8、324252627282930随机随机数字数字842634916484421753315724550688除以除以3的的余数余数021110022100101组别组别ACBBBAACCBAABAB初步分配结果初步分配结果组间调整：组间调整：1.1.从随机数字表中接着查一随机数字，从随机数字表中接着查一随机数字，7777，除以，除以1212，余，余5; 5; ，则将则将A A组中的第组中的第5 5只只“1111号号”分至分至C C组；组；组组别别动物号动物号A248101114162122262729B135715181920252830C691213172324组间调整组间调整1 1 组间调整

9、：组间调整：1.1. 从随机数字表中接着查一随机数字，从随机数字表中接着查一随机数字，7777，除以，除以1212，余，余5 5，则将，则将A A组中的第组中的第5 5只只“1111号号”分至分至C C组组；2.2.从随机数字表中接着查一随机数字，从随机数字表中接着查一随机数字，0404，除以，除以1111，余，余4 4，则将则将A A组中的第组中的第4 4只只“1010号号”分至分至C C组；组；组组别别动物号动物号A2481014162122262729B135715181920252830C69121317232411组间调整组间调整2 2组间调整：组间调整：1.1. 从随机数字表中接着

10、查一随机数字，从随机数字表中接着查一随机数字，7777，除以，除以1212，余，余5 5，则将，则将A A组中的第组中的第5 5只只“1111号号”分至分至C C组组；2.2. 从随机数字表中接着查一随机数字，从随机数字表中接着查一随机数字，0404，除以，除以1111，余，余4 4，则将，则将A A组中的第组中的第4 4只只“1010号号”分至分至C C组组；组组别别动物号动物号A24814162122262729B135715181920252830C6912131723241110组间调整组间调整3 3组间调整：组间调整：1.1. 从随机数字表中接着查一随机数字，从随机数字表中接着查一随

11、机数字，7777，除以，除以1212，余，余5 5，则将，则将A A组中的第组中的第5 5只只“1111号号”分分至至C C组组；2.2. 从随机数字表中接着查一随机数字，从随机数字表中接着查一随机数字，0404，除以，除以1111，余，余4 4，则将，则将A A组中的第组中的第4 4只只“1010号号”分分至至C C组；组；3.3.从随机数字表中接着查一随机数字，从随机数字表中接着查一随机数字，7474，除以，除以1111，余，余8 8，则将则将B B组中的第组中的第8 8只只“2020号号”分至分至C C组；组；组组别别动物号动物号A24814162122262729B1357151819

12、20252830C6912131723241110最终分配结果最终分配结果组组别别动物号动物号A24814162122262729B1357151819252830C691213172324111020各组接受何种处理也要随机化。各组接受何种处理也要随机化。例例1 1 试将性别相同、体重相近的试将性别相同、体重相近的1818只实验动物等分到只实验动物等分到A A、B B两组。两组。 1.1.将实验动物编号。将实验动物编号。2.2.查随机排列表：随机指定第查随机排列表：随机指定第6 6行，舍去行，舍去18181919字，将字，将0 01717之间的数字依次录于动物号下。之间的数字依次录于动物号下

13、。3.3.预先规定，将随机数字为预先规定，将随机数字为0 08 8者分入者分入A A组，组，9 91717者分入者分入B B组。组。编号编号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18随机数随机数组组 别别方法二、随机排列表法分组方法二、随机排列表法分组动动物物号号123456789101112131415161718随随机机数数字字11215141081211743091661375组组别别BABBBABABAAABBABA A随机排列表法分组随机排列表法分组最终分配结果最终分配结果组组别别动物号动物号A268101112151718B13457

14、9131416一、完全随机设计优点：优点：简单易行。简单易行。实验中个别发生意外情况对实验结果影响不大。实验中个别发生意外情况对实验结果影响不大。缺点：缺点：一次实验只能分析比较一个因素的实验效应。一次实验只能分析比较一个因素的实验效应。没有控制混没有控制混杂因素在各组的影响，实验效率较低。杂因素在各组的影响，实验效率较低。要求样本含量相对较大要求样本含量相对较大完全随机设计分析方法(计量资料)两个处理组为小样本时，可以考虑两个样本均两个处理组为小样本时，可以考虑两个样本均数比较的数比较的检验或秩和检验检验或秩和检验(Wilcoxon(Wilcoxon两样本比两样本比较法较法) )。两个处理组

15、为大样本时两个处理组为大样本时, ,可以用两个样本均数可以用两个样本均数比较的比较的检验。检验。多个处理组时可以考虑单因素方差分析法或秩多个处理组时可以考虑单因素方差分析法或秩和检验和检验(Kruskal Wallis(Kruskal Wallis法法) )。 例例1 1 高黏综合征患者血沉较快，某医生采用完全高黏综合征患者血沉较快，某医生采用完全随机设计观察随机设计观察A A、B B两个降黏药物对血沉（两个降黏药物对血沉（mm/1hmm/1h）的影响，结果如下表，试做统计分析。的影响，结果如下表，试做统计分析。A药组病例号次125781112151619治前血沉404336414037383

16、83539治后血沉36353029302828302730前后差值4861210910889B组药病例号次3469101314171820治前血沉39403943383640414045治后血沉20253023242024202528前后差值1915920141616211517假设检验假设检验HH0 0： A A=B B，HH1 1： A AB B，=0.05=0.05（1 1）治前两组可比性检验：）治前两组可比性检验：n n1 1=n=n2 2=10=10，采用成组，采用成组t t检验。检验。A A药组：药组：X X1 1=38.7=38.7，S SA A=2.4=2.4B B药组：药组：

17、X X2 2=40.1=40.1，S SA A=2.5=2.5t =(Xt =(X1 1-X-X2 2)/)/（s s1 12 2+s+s2 22 2）/n=1.277/n=1.277根据根据=18=18，查表查表t t0.20.2(18)=1.330(18)=1.330，t t0.40.4(18)=0.862,0.2P0.4(18)=0.862,0.2P0.4，故认为两组治疗前血沉是可比的。故认为两组治疗前血沉是可比的。（2 2）A A药组治疗前后比较：药组治疗前后比较：n=10n=10，采用配对，采用配对t t检验。检验。治疗后治疗后X XA A=30.3=30.3，S SA A=2.9=

18、2.9，前后差值均数前后差值均数d=8.4d=8.4，标准差标准差s=2.2s=2.2T=12.074T=12.074，查表得查表得P0.01P0.01，故可认为，故可认为A A药治疗前后血沉显著降低。药治疗前后血沉显著降低。（3）B B药组治疗前后比较：药组治疗前后比较：n=10n=10，采用配对，采用配对t t检验。检验。治疗后治疗后X XB B=23.9=23.9，S SB B=3.4=3.4，前后差值均数前后差值均数d=16.2d=16.2，标准标准差差s=3.4s=3.4T=15.067T=15.067，查表得查表得P0.01P0.01，故可认为，故可认为B B药治疗前后血沉药治疗前

19、后血沉显著降低。显著降低。（4 4）A A、B B两药疗效比较：两药疗效比较： n n1 1=n=n2 2=10=10，对两组治疗前后对两组治疗前后差值均数采用成组差值均数采用成组t t检验。检验。t=6.091t=6.091，查表得查表得P0.01P0.01，故可认为故可认为B B药降低血沉的疗效药降低血沉的疗效显著优于显著优于A A药的疗效。药的疗效。例例2 2 比较比较A A、B B两种药物对出血时间（分）的影两种药物对出血时间（分）的影响，结果是响，结果是A A药组（药组（n=8n=8）：）：4.54.5，6.46.4，7.07.0，7.67.6，7.87.8，8.58.5，8.68.

20、6，8.98.9； B B药组（药组（n=10n=10）：）：7.47.4，8.28.2，8.48.4，8.88.8，8.98.9，9.09.0，9.29.2，9.69.6，10.210.2，11.411.4。试问两组出血时间差异有无统计试问两组出血时间差异有无统计学意义？学意义？（1 1）将两组数据混合由小至大编排秩次）将两组数据混合由小至大编排秩次数据4.56.47.07.47.67.88.28.48.58.68.88.98.99.09.29.610.211.4组别AAABAABBAABBABBBBB秩次123456789101112131415161718（2 2）计算秩和：）计算秩和：

21、T TA A=1+2+3+5+6+9+10+12.5=48.5=1+2+3+5+6+9+10+12.5=48.5T TB B=4+7+8+11+12.5+14+15+16+17+18=12=4+7+8+11+12.5+14+15+16+17+18=122.52.5如果计算正确，如果计算正确，T TA A+T+TB B=(n=(n1 1+n+n2 2)(n)(n1 1+n+n2 2+1)/2+1)/2如此式不等，则计算有误。如此式不等，则计算有误。T TA A+T+TB B=48.5+122.5=171=48.5+122.5=171(n(n1 1+n+n2 2)(n)(n1 1+n+n2 2+1

22、)/2=18+1)/2=18* *19/2=17119/2=171（3 3）判断：）判断：T TA A较小，较小，P0.05P2.58U2.58，P0.01P0.01，因此可以认为服用匹林，因此可以认为服用匹林能够降低血液透析并发血栓形成的发生率。能够降低血液透析并发血栓形成的发生率。（一）完全随机设计（一）完全随机设计（二）配对设计（二）配对设计（三）随机区组设计（三）随机区组设计常用实验设计方案（四）拉丁方设计（四）拉丁方设计（五）析因设计（五）析因设计（六）正交设计（六）正交设计二、配对设计二、配对设计（paired designpaired design）配对设计配对设计指的是指的是受

23、试对象相同或基受试对象相同或基本齐同本齐同的实验设计，是将受试对象按某的实验设计，是将受试对象按某些特征或条件配成对子，然后分别把每些特征或条件配成对子，然后分别把每对中的两个受试对象随机分配到实验组对中的两个受试对象随机分配到实验组与对照组与对照组( (或不同处理组或不同处理组) )。二、配对设计二、配对设计受试对象配对的特征或条件，主要是指年龄、受试对象配对的特征或条件，主要是指年龄、性别、体重、环境条件等非实验因素，性别、体重、环境条件等非实验因素，不要以实验不要以实验因素作为配对条件因素作为配对条件。根据受试对象来源的不同，分为同源配对根据受试对象来源的不同，分为同源配对 (homog

24、enetic matching)(homogenetic matching)（包括前后配对和左右配包括前后配对和左右配对对）和异源配对和异源配对(hetero-genetic matching)(hetero-genetic matching)两种。两种。同源配对同源配对(homogenetic matching)(homogenetic matching)又称同体配对又称同体配对(homobody matching),(homobody matching),即试验和即试验和对照在同一受试个体身上进行观察的方法，分为对照在同一受试个体身上进行观察的方法，分为4 4种种类型：类型：(1)(1)同

25、一受试对象处理前、后的数据；同一受试对象处理前、后的数据；(2)(2)同一受试对象两个部位的数据；同一受试对象两个部位的数据；(3)(3)同一受试对象、同一样品用两种方法或仪器同一受试对象、同一样品用两种方法或仪器检测结果；检测结果；(4)(4)用同一方法或仪器检测同一受试对象不同标用同一方法或仪器检测同一受试对象不同标本的检测结果。本的检测结果。 异源配对异源配对(heterogenetic matching)(heterogenetic matching)将受试对象按照一定的条件（依专业知识确将受试对象按照一定的条件（依专业知识确定），将条件相同的个体配成对子，然后在对定），将条件相同的个

26、体配成对子，然后在对子内部按照随机方法分配至实验组，最后对其子内部按照随机方法分配至实验组，最后对其结果以配对分析的统计方法加以处理。结果以配对分析的统计方法加以处理。例如：例如： 取同窝别、同性别、体重近似的取同窝别、同性别、体重近似的2 2只动物配只动物配对；对； 将病种、病型、病情及其它影响疗效的主要将病种、病型、病情及其它影响疗效的主要因素一致的病人配成对子；因素一致的病人配成对子；二、配对设计二、配对设计例例3 3 将样本中将样本中2020例受试对象按性别相同、年龄、例受试对象按性别相同、年龄、工作性质相近者配成对子，共工作性质相近者配成对子，共1010对。用随机排列表对。用随机排列

27、表将每对中的两个受试对象随机分配到甲、乙两个处将每对中的两个受试对象随机分配到甲、乙两个处理组中。理组中。配对设计方法配对设计方法1. 1. 先将先将1010对受试者编号，如第一对第对受试者编号，如第一对第1 1受试者受试者编为编为1.11.1，第，第2 2受试者编为受试者编为1.21.2，余仿此。，余仿此。2. 2. 再随机指定随机排列表第再随机指定随机排列表第2 2行，舍去行，舍去10101919之间的数字，并规定单数取甲、乙顺序，双数取乙、之间的数字，并规定单数取甲、乙顺序，双数取乙、甲顺序。甲顺序。配对设计配对设计分配结果分配结果组别组别受试者编号受试者编号甲甲1.22.13.24.2

28、5.16.17.28.19.210.1乙乙1.12.23.14.15.26.27.18.29.110.2二、配对设计优点：优点：提高组间均衡性和统计效率，减少抽样误差；提高组间均衡性和统计效率，减少抽样误差；样本含量较小；样本含量较小；统计分析方法简单。统计分析方法简单。缺点：缺点：设计复杂；设计复杂；配对失败或配对欠佳时，会降低实验效率；配对失败或配对欠佳时，会降低实验效率；观察对象要经过挑选观察对象要经过挑选，易损失样本含量；易损失样本含量；延长实验时间延长实验时间，对子间的条件易发生变化。对子间的条件易发生变化。配对设计配对设计适用条件适用条件: : a. a.保证实验个体与对照个体保证

29、实验个体与对照个体没有相互干扰没有相互干扰。 b. b.自身配对试验适用于自身配对试验适用于短期对比或急性实验短期对比或急性实验。 c.c.对人进行异体配对对人进行异体配对，所控制的条件不可能是所控制的条件不可能是很严格的很严格的。一般只能根据一般只能根据2-32-3个因素配对个因素配对。因此因此, ,每对的配对条件尽限每对的配对条件尽限2-32-3项项，若对比其它因素时若对比其它因素时, ,还需要重新进行配对还需要重新进行配对。配对设计数据分析 效应指标为数值变量效应指标为数值变量 参数检验：配对参数检验：配对t t 检验（差值检验（差值 t t 检验）；检验）； 非参数检验：非参数检验：W

30、ilcoxonWilcoxon符号秩和检验；符号秩和检验； 效应指标为分类变量效应指标为分类变量 配对四格表（配对四格表（2 22 2列联表）列联表） 2 2 检验。检验。前后配对设前后配对设计计例例1 1 对血小板活化模型大鼠以对血小板活化模型大鼠以ASAASA进行实验性治疗，进行实验性治疗，以血浆以血浆11-DH TXB11-DH TXB2 2（ng/Lng/L）为指标，其结果如为指标，其结果如下，试进行统计分析。下，试进行统计分析。大鼠号12345678910给药前250226180356280210276326208176给药后18420518224819620421427420017

31、5前后差值6621-2108846625280 假设检验：假设检验：HH0 0： d d=0=0，H H1 100，=0.05=0.05以前后差值进行基本统计得：以前后差值进行基本统计得：n=10n=10，d=40.5d=40.5，s=39.1s=39.1代入公式代入公式t=d/(s/n)=3.275t=d/(s/n)=3.275=10-1=9=10-1=9查查t t界值表得界值表得P0.05P0.05，故可认为使用，故可认为使用ASAASA后后血浆中血浆中11-DH TXB11-DH TXB2 2明显降低。明显降低。前后配对设计前后配对设计例例2 2 某大夫以肾性高血压大鼠观察血管紧张某大夫

32、以肾性高血压大鼠观察血管紧张素转化酶抑制剂素转化酶抑制剂BBNMBBNM对动脉血压（对动脉血压（kpakpa）的影响，结果如下表，试以符号秩和检验判的影响，结果如下表，试以符号秩和检验判断其疗效如何。断其疗效如何。鼠号12345678910降压值2.12.40.61.41.01.5-0.42.01.6-0.8假设检验：H0：Md=0，H1：Md0，=0.05（1 1）将差数由小至大排出秩次并标出正负。）将差数由小至大排出秩次并标出正负。降降压压值值0.40.40.60.60.80.81.01.01.41.41.51.51.61.62.02.02.12.12.42.4秩秩次次-1-12 2-3-

33、34 45 56 67 78 89 91010（2 2）计算）计算T T值：在正负秩次中，负数小者只有值：在正负秩次中，负数小者只有2 2个，其个，其秩次之和为秩次之和为4 4，故故T T为为4 4。（3 3）判断：查符号秩和检验用）判断：查符号秩和检验用T T界值表，当界值表，当n=10n=10时，时，若按双侧检验若按双侧检验T0.05=8T0.05=8，故故P0.05P0.05，故可认为，故可认为BBNMBBNM对大鼠肾性高血压具有明降降压作用。对大鼠肾性高血压具有明降降压作用。配对设计与完全随机设计的比较配对设计与完全随机设计的比较 标准误的大小标准误的大小配对设计的标准误配对设计的标准

34、误S Sd d=(s=(s1 12 2+s+s2 22 2)-2rs)-2rs1 1s s2 2/n/n完全随机设计的标准误完全随机设计的标准误S SX1-X2X1-X2=(s=(s1 12 2+s+s2 22 2)/n)/n配对实验标准误的大小取决于相关系数配对实验标准误的大小取决于相关系数r r的性质，只有当的性质，只有当r r为正值时，配对设计实验为正值时，配对设计实验的的S Sd d才有可能小于完全随机设计实验的才有可能小于完全随机设计实验的S SX1-X2X1-X2。例例1 1 现有现有7 7对实验数据（事先为配对设计）对实验数据（事先为配对设计）对子数对子数1 12 23 34 4

35、5 56 67 7A A组组4.84.85.25.25.95.94.84.84.54.55.45.46.26.2B B组组3.33.35.05.04.14.14.64.64.44.45.25.25.15.1差数差数1.51.50.20.21.81.80.20.20.10.10.20.21.11.1将将7 7对数据进行相关分析得相关系数对数据进行相关分析得相关系数r=0.382r=0.382，说明配对说明配对基本成功，故按配对基本成功，故按配对t t检验处理得检验处理得t=2.676t=2.676，P0.05P0.05P0.05。例例2 2 现有现有6 6对实验数据（事先为配对设计）对实验数据（事先为配对设计）对子数对子数1 12 23 34 45 56 6A A组组111110109 9111112121010B B组组9 9111110108 88 88 8差数差数2 2-1-1-1-13 34 42 2将将6 6对数据进行相关分析得相关系数对数据进行相关分析得相关系数r=-0.603r=-0.6