第十四章实验设计ppt课件

1、实验设计实验设计 郜艳晖郜艳晖广东药学院卫生统计学教研室广东药学院卫生统计学教研室医学研讨的分类医学研讨的分类研讨中国儿童生长发育情况研讨中国儿童生长发育情况研讨当今广州市居民的医疗消费情况研讨当今广州市居民的医疗消费情况加人工牛黄治疗乙型脑炎效果加人工牛黄治疗乙型脑炎效果研讨空气中研讨空气中NO浓度和车流量的关系浓度和车流量的关系研讨吸烟与肺癌的关系研讨吸烟与肺癌的关系四个季节人体肾上腺皮质四个季节人体肾上腺皮质3-HSD活性活性三种降压药疗效的比较三种降压药疗效的比较三种方剂治疗胃溃疡的效果三种方剂治疗胃溃疡的效果医学研讨的分类医学研讨的分类l调查研讨调查研讨survey，又称察看性研讨：

2、，又称察看性研讨：l研讨要素是客观存在的，不能人为的施加处置研讨要素是客观存在的，不能人为的施加处置要素；要素；l不能对人群进展随机分组来平衡混杂要素。不能对人群进展随机分组来平衡混杂要素。l实验研讨实验研讨experiment，又称干涉性研讨：，又称干涉性研讨：l需求人为地施加处置要素；需求人为地施加处置要素；l可以经过对研讨对象随机分组的方法来平衡混可以经过对研讨对象随机分组的方法来平衡混杂要素。杂要素。医学研讨的步骤医学研讨的步骤研讨设计搜集资料，整理资料分析资料结论表达专业设计专业设计统计设计统计设计为什么要进展研讨设计？为什么要进展研讨设计？l医学研讨医学研讨 盖一座大厦盖一座大厦l

3、设计设计 图纸图纸l设计的任务量和经费占总实验设计的任务量和经费占总实验5%. 投入投入l一项好的科研设计一项好的科研设计,预示该项研讨已至少完成预示该项研讨已至少完成75% 。 产出产出 l某医师察看元参钩藤汤降血压的效果，对80名高血压病患者进展实验，患者连服半月汤剂后查体，平均血压下降了2.8KPa，因此以为元参钩藤汤有降压作用。l察看哌库溴铵不同剂量的肌松效应，研讨者选择了20例择期手术患者，随机分为两组，第一组注射0.05mg/kg，第二组注射0.075mg/kg，记录起效时间。为什么要进展研讨设计？为什么要进展研讨设计？实验设计实验设计l实验设计的根本要素实验设计的根本要素l实验设

4、计的根本原那么实验设计的根本原那么l常用实验设计方法常用实验设计方法l样本含量估计样本含量估计实验设计的根本要素l用两种药物治疗高血压病人，察看比较两组病人血压的下降情况。处置要素处置要素受试对象受试对象实验效应实验效应降压药降压药高血压病人高血压病人血压值下降血压值下降非处置要素非处置要素实验设计的根本要素实验设计三要素： 受试对象(object)处置要素(treatment)实验效应(experimental effect)实验设计的根本要素 受试对象受试对象 受试对象或称研讨对象是处置要素作用的受试对象或称研讨对象是处置要素作用的客体，是根据研讨目确实定的研讨总体。客体，是根据研讨目确实

5、定的研讨总体。 研讨目的不同研讨目的不同, , 医学研讨的对象可以是医学研讨的对象可以是人、动物和植物，也可以是某个器官、细胞和人、动物和植物，也可以是某个器官、细胞和血清等生物资料。血清等生物资料。实验设计的根本要素按实验对象，实验可以分为三类：动物实验(animal experiment), 其受试对象为动物；临床实验(clinical trial), 其受试对象通常为患者；现场实验(field trial), 其受试对象通常为正常人群。实验设计的根本要素l受试对象作严厉的规定，以保证其同质性(homogeneity)和代表性 l 同质性：动物的种类、品系、年龄、性别、体重、窝别和营养情况

6、等。人群的性别、年龄、民族、职业、文化程度和经济情况、病情和病程等。l 代表性：随机抽样实验设计的根本要素l受试对象应满足两个根本条件：一是对处置要素敏感；二是反响必需稳定。 l选择受试对象应明确其纳入规范(inclusion criteria)和排除规范(exclusion criteria)。实验设计的根本要素处置要素处置要素处置要素：又称受试要素，根据研讨目确定的欲施处置要素：又称受试要素，根据研讨目确定的欲施加或欲察看的、并能引起受试对象直接或间接效加或欲察看的、并能引起受试对象直接或间接效应的要素，简称处置或要素应的要素，简称处置或要素(factor)(factor)。是根据研。是根

7、据研讨目确实定的主要要素，处置要素在整个实验中讨目确实定的主要要素，处置要素在整个实验中应一直要坚持不变应一直要坚持不变 非处置要素：与处置要素能够同时存在的能使受试非处置要素：与处置要素能够同时存在的能使受试对象产生效应的非研讨要素。非处置要素干扰效对象产生效应的非研讨要素。非处置要素干扰效应与所研讨要素间关系的察看与分析，经常又称应与所研讨要素间关系的察看与分析，经常又称混杂要素混杂要素(confounder)(confounder)。 实验设计的根本要素l处置要素种类：生物性、化学性、物理性l处置要素程度：每个要素在数量上或强度上可有不同。l 单要素单程度：研讨某药物对原发性高血压患者的

8、降压作用；l 单要素多程度：研讨某药不同剂量的降血糖作用；l 多要素单程度：比较不同药物或不同疗法对某病的治疗效果；l 多要素多程度：临床上探求某肿瘤的结合化疗方案等。 实验设计的根本要素 实验效应实验效应 实验效应是处置要素作用于受试对象的反实验效应是处置要素作用于受试对象的反响响(response)(response)和结局和结局(outcome)(outcome)，它经过察看，它经过察看目的目的( (统计学常将目的称为变量统计学常将目的称为变量) )来表达。来表达。 察看目的应具有客观性、准确性、特异性察看目的应具有客观性、准确性、特异性和灵敏性。和灵敏性。 实验设计的根本要素l客观性：

9、客观目的那么是借助丈量仪器和检验客观性：客观目的那么是借助丈量仪器和检验等手段来反映的察看结果，客观目的具有较好等手段来反映的察看结果，客观目的具有较好的真实性和可靠性。的真实性和可靠性。l 客观目的是受试对象的客观觉得、记忆、客观目的是受试对象的客观觉得、记忆、陈说或实验者的客观判别结果。客观目的具有陈说或实验者的客观判别结果。客观目的具有随意性和偶尔性。随意性和偶尔性。实验设计的根本要素l准确性：包括准确度准确性：包括准确度(accuracy)(accuracy)和精细度和精细度(precision)(precision)两层含义。两层含义。l 准确度指察看值与真值的接近程度，主准确度指察

10、看值与真值的接近程度，主要受系统误差的影响；要受系统误差的影响；l 精细度指反复察看时，察看值与其均数精细度指反复察看时，察看值与其均数的接近程度，其差值属于随机误差。的接近程度，其差值属于随机误差。实验设计的根本要素l特异性和灵敏性：某目的的特异度特异性和灵敏性：某目的的特异度(specificity)(specificity)反映其鉴别真阴性的才干，灵反映其鉴别真阴性的才干，灵敏度敏度sensitivitysensitivity那么反映其检出真阳性那么反映其检出真阳性的才干。特异度高的目的不易受混杂要素的干的才干。特异度高的目的不易受混杂要素的干扰；灵敏度高的目的能将处置要素的效应更好扰；

11、灵敏度高的目的能将处置要素的效应更好地显示出来。地显示出来。 实验设计的根本要素l4)4)目的的盲法察看：目的的盲法察看： 为消除或最大限制地减少客观为消除或最大限制地减少客观偏性，在设计时常采用盲法偏性，在设计时常采用盲法(blind method)(blind method)。l 单盲法单盲法(single blind method)(single blind method)：受试对象不：受试对象不知道本人分在哪一组；知道本人分在哪一组；l 双盲法双盲法(double blind method)(double blind method)：受试对象和：受试对象和实验执行者均不知道受试对象分在

12、哪一组实验执行者均不知道受试对象分在哪一组l 三盲法三盲法(triple blind method)(triple blind method)：受试对象、：受试对象、实验执行者和统计分析人员三者均不知道受试对象分实验执行者和统计分析人员三者均不知道受试对象分在哪一组在哪一组实验设计的根本原那么实验设计的根本原那么实验设计的根本原那么实验设计的根本原那么对照对照(control)随机化随机化(randomization)反复反复(replication) 实验设计的根本原那么实验设计的根本原那么对照原那么对照原那么目的：目的： 显露处置要素的效应；显露处置要素的效应； 控制混杂要素和偏倚；控制混

13、杂要素和偏倚； 判别不良反响。判别不良反响。实验设计的根本原那么实验设计的根本原那么l对照的方式：l(1)抚慰剂对照(placebo control)l(2)空白对照(blank control) l(3)实验对照(experimental control) l(4)本身对照(self control) l(5)规范对照(standard control)l l抚慰剂对照placebo control) 其外观与实验药物一致，它不含实验药物的有效成分，不能为受试对象所识别。l目的：抑制研讨者、受试对象、评价者等由于心思要素所构成的偏倚；还可消除疾病自然进程的影响，分别出由于实验药物所引起的真正

14、反响，从而直接度量实验药物和抚慰剂之间的不同。实验设计的根本原那么实验设计的根本原那么实验设计的根本原那么实验设计的根本原那么l空白对照(blank control) 对照组不施加任何处置要素。例如，察看某种疫苗预防肾综合征出血热的效果，选择人口数量和构成、发病程度、地理环境、主要宿主鼠类根本类似的两个疫区，一个作为实验区，在人群中接种疫苗，另一个作为对照区，不施加任何干涉措施，处置要素完全空白。这种对照只需在处置要素很强，非处置要素很弱的情况下才干运用。在临床实验中，普通不用空白对照。实验设计的根本原那么实验设计的根本原那么l实验对照(experimental control) 对照组不施加

15、处置要素，但施加某种实验要素。如察看赖氨酸对儿童发育的影响，实验组儿童课间加食含赖氨酸的面包，对照组儿童课间加食不含赖氨酸的面包。处置要素是赖氨酸，非处置要素的面包量两组是一样的。实验设计的根本原那么实验设计的根本原那么l规范对照(standard control) 不设立专门的对照组，而是用现有规范值或正常值做对照。在临床实验中常以某疗法为规范对照组，这种对照应留意规范组必需是代表当时程度的疗法，切不可用降低规范组的方法使实验效应提高。但实验研讨普通不用规范对照，由于实验条件不一致，经常影响对比效果。 实验设计的根本原那么实验设计的根本原那么l本身对照(self control) 对照与实验

16、在同一受试者身上进展，如用药前后作为对比。普通情况下还要求设立平行对照组。实验设计的根本原那么实验设计的根本原那么l相互对照 这种对照不设立对照组，而是两个或几个实验组相互对照。例如用莫雷西嗪治疗冠心病、高血压、心肌病和失调症引起的室性早搏时，设立冠心病组、高血压组、心肌病组和失调症组四个治疗组，相互比较它们的疗效。实验设计的根本原那么实验设计的根本原那么l随机化原那么随机化原那么l 随机化是使每个受试对象都有同等的时机被随机化是使每个受试对象都有同等的时机被抽取或分到不同的实验组和对照组，分组的结抽取或分到不同的实验组和对照组，分组的结果不受人为要素的干扰和影响。果不受人为要素的干扰和影响。

17、l 实验设计中必需贯彻随机化原那么，由于在实验设计中必需贯彻随机化原那么，由于在实验过程中许多非处置要素在设计时研讨者并实验过程中许多非处置要素在设计时研讨者并不完全知道，必需采用随机化的方法抵消这些不完全知道，必需采用随机化的方法抵消这些干扰要素的影响。干扰要素的影响。 实验设计的根本原那么实验设计的根本原那么l随机化方式l(1)随机抽样 l保证样本的代表性 l(2)随机分组l保证非处置要素在对比组间平衡可比l(3)实验顺序随机 l实验顺序的影响到达平衡实验设计的根本原那么实验设计的根本原那么l完全随机化完全随机化 直接对受试对象进展随机化分组，但直接对受试对象进展随机化分组，但分组后各组受

18、试对象的例数不一定一样。分组后各组受试对象的例数不一定一样。l(1)(1)编号编号 将将n n个受试对象编号，动物可按体艰苦小，个受试对象编号，动物可按体艰苦小，患者可按就诊顺序。患者可按就诊顺序。l(2)(2)取随机数取随机数 可从随机数字表或计算器或计算机获可从随机数字表或计算器或计算机获得。每个受试对象获得的随机数可是一位数，也可是得。每个受试对象获得的随机数可是一位数，也可是两位数或三位数，普通要求与两位数或三位数，普通要求与n n的位数一样。的位数一样。l (3)(3)确定组别确定组别 根据受试对象获得的随机数决议受根据受试对象获得的随机数决议受试对象在哪一组。分两组可按随机数的奇偶

19、；分试对象在哪一组。分两组可按随机数的奇偶；分k k组组可按随机数除以可按随机数除以k k后的余数进展分组。后的余数进展分组。 实验设计的根本原那么实验设计的根本原那么例8-1 试将同性别、体重相近的30只动物分到A、B、C三组。 编号123456789101112131415随机数885653275933357267477734554570除3取余122020201221101分组BCCACACABCCBBAB编号161718192021222324252627282930随机数081827389016958670750972958429除3取余200201221000202分组CAACAB

20、CCBAAACAC30只动物完全随机分组的结果只动物完全随机分组的结果实验设计的根本原那么实验设计的根本原那么l分层随机化分层随机化l 先对能够影响实验过程和结果的混杂要素进先对能够影响实验过程和结果的混杂要素进展分层，然后在每一层内进展完全随机化，即进展分层，然后在每一层内进展完全随机化，即进展分层随机化。配对随机化和区组随机化可看成展分层随机化。配对随机化和区组随机化可看成是分层随机化的实践运用。是分层随机化的实践运用。实验设计的根本原那么实验设计的根本原那么分层随机化步骤：(1)编号排序 将每层的受试对象编号排序，如体重从轻到重，时间由前至后等。(2)取随机数 从随机数字表或计算器或计算

21、机获得。每个受试对象可取两位数。 (3)确定组别 根据每层受试对象获得的随机数的大小顺序决议受试对象在哪一组。对每个处置也可规定顺序，如处置A, B, C, 分别对应于序号1, 2, 3, 。l例8-2 为比较四种抗癌药物A,B,C,D的疗效，将小白鼠体重作为分层或区组要素，试分配处置。分层随机数随机数序号随机排列结果鼠1鼠2鼠3鼠4鼠1鼠2鼠3鼠4鼠1鼠2鼠3鼠41814677614132DACB2083974002341BCDA3992472484132DACBb337215992314BCAD小白鼠区组随机化的结果小白鼠区组随机化的结果实验设计的根本原那么实验设计的根本原那么实验设计的根

22、本原那么实验设计的根本原那么l反复原那么反复原那么l 反复是指在一样实验条件下进展多次研讨或多次察反复是指在一样实验条件下进展多次研讨或多次察看。反复最主要的作用是估计实验误差，另一作用是看。反复最主要的作用是估计实验误差，另一作用是降低实验误差。降低实验误差。 l反复的情形：反复的情形：l (1)(1)整个实验的反复整个实验的反复l2 2用多个受试对象进展反复用多个受试对象进展反复 有足够的样本含量有足够的样本含量(sample size)(sample size)，l3 3同一受试对象的反复察看同一受试对象的反复察看l 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

23、随机区组设计交叉设计交叉设计析因设计析因设计 常用的实验设计方案l完全随机设计completely randomized designl 又称简单随机分组设计(simple randomized design),是最为常用的调查单要素两程度或多程度的实验设计方法。包括平衡设计各组样本含量相等，和非平衡设计各组样本含量不等。研讨总体研讨总体受试对象受试对象对照组对照组实验组实验组纳入纳入规范规范排除排除规范规范随机化随机化两独立样本两独立样本(A)受试对象受试对象随机分组随机分组样本样本1样本样本2A 完全随机分组得到两独立样本完全随机分组得到两独立样本甲药甲药乙药乙药两独立样本两独立样本(B)

24、样本样本1总体总体1样本样本2总体总体2B 从两总体中随机抽样得到两独立样本从两总体中随机抽样得到两独立样本 随机抽样随机抽样两独立样本两独立样本(C)总体总体样本样本样本样本2样本样本1按某属性分类按某属性分类 C 按某一两分类的属性分组得到两独立样本按某一两分类的属性分组得到两独立样本l优点：设计简单，易于实施，出现缺失数据时仍可进展统计分析。l缺陷：小样本时，能够平衡性较差，抽样误差大。常用的实验设计方案常用的实验设计方案l配对设计配对设计paired designl 是将受试对象按一定条件配成对子，再是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象随机分配到不同将每对中的两个受

25、试对象随机分配到不同处置组。处置组。l一定条件？一定条件？-能够影响实验结果的混杂要素能够影响实验结果的混杂要素l动物实验：种属、窝别、性别、体重等动物实验：种属、窝别、性别、体重等l临床实验：病情轻重、性别、年龄、职业临床实验：病情轻重、性别、年龄、职业等等l配对设计主要有以下方式：l1将两个条件一样或相近的受试对象配成对子含同一个体的两对器官或组织，分别接受两种不同的处置。l2同一受试对象人或标本分别接受两种不同的处置。l3前后配对，即同一受试对象接受一种处置的前后。配对设计配对设计(A)甲药甲药乙药乙药A 受试对象按某些特征配对，两对象随机接受两种处置受试对象按某些特征配对，两对象随机接

26、受两种处置配对设计配对设计(B)方法甲方法甲方法乙方法乙B 一份样品，一分为二，随机接受两种处置一份样品，一分为二，随机接受两种处置治疗前治疗前治疗后治疗后治疗配对设计配对设计(C)C 受试对象处置前后比较受试对象处置前后比较常用的实验设计方案l优点：抽样误差较小，实验效率较高、所需样本含量也较小l缺陷：当配对条件未能严厉控制呵斥配对失败或配对欠佳时，反而会降低效率。l随机区组设计随机区组设计randomized block designl 亦称配伍组设计，是配对实验的扩展。该设亦称配伍组设计，是配对实验的扩展。该设计是将受试对象先按配比条件如动物的性别、计是将受试对象先按配比条件如动物的性别

27、、体重，病人的病情、性别、年龄等非实验要素体重，病人的病情、性别、年龄等非实验要素配成配成b个配伍组，每个配伍组有个配伍组，每个配伍组有k个受试对象，个受试对象，再按随机化原那么分别将各配伍组中的受试对再按随机化原那么分别将各配伍组中的受试对象、分配到各个处置组。象、分配到各个处置组。常用的实验设计方案优点：优点：该类设计是按配比条件将受试对象配成对子或配该类设计是按配比条件将受试对象配成对子或配伍组，从而排除了诸多非处置要素对实验的影伍组，从而排除了诸多非处置要素对实验的影响，保证了各组间的可比性，减少了抽样误差；响，保证了各组间的可比性，减少了抽样误差； 该类设计添加了区组信息，可以减少样

28、本含量，该类设计添加了区组信息，可以减少样本含量，提高统计效率。提高统计效率。常用的实验设计方案常用的实验设计方案缺陷：缺陷：由于受配对或配伍条件的限制，有时难以将受试由于受配对或配伍条件的限制，有时难以将受试对象配成对子或配伍组，从而损失部分受试对对象配成对子或配伍组，从而损失部分受试对象的信息；象的信息；即使区组内有一个受试对象发生不测，也会使统即使区组内有一个受试对象发生不测，也会使统计分析较费事；计分析较费事；本身配对时，本身配对时，2 2种处置施加于受试对象的顺序效种处置施加于受试对象的顺序效应会混杂在实验效应中。要防止这一情况，可应会混杂在实验效应中。要防止这一情况，可采用交叉设计。采用交叉设计。样本含量的估计l样本含量估计的意义样本含量估计的意义l 样本含量估计充分反映了样本含量估计充分反映了“反复的根本原那么，反复的根本原那么，过小过大都有其弊端。过小过大都有其弊端。l样本含量过小，所得目的不稳定，用以推断总体的精样本含量过小，所得目的不稳定，用以推断总体的精细度和准确度差；检验的效果低，应有的差别不能显细度和准确度差；检验的效果低，应有的差别不能显示出来，难以获得正确的研讨结果，结论也缺乏充分示出来，难以获得正确的研讨结果，