卫生统计学教学课件实验设计-(2)

1、第10章 实验设计的统计学基本原则 实验设计(design of experiment, DOE)顺利进行科学研究和数据统计分析的先决条件获得预期结果的重要保证 设计：专业设计：从各专业角度考虑实验的科学安排，选题、建立假说、确定研究对象和技术方法等；统计设计：从统计学的角度考虑资料搜集、整理和分析的设计。- 设计类型、样本含量、指标和分析方法医学科学研究方法:(1)观察性研究 (observational study)又称 非实验性研究(non-experimental study)或 对比研究(comparative study) - 非随机化对比研究。以客观、真实的观察为依据，对观察结果

2、进行描述和对比分析；不能人为施加干预措施(即处理因素)；受试对象接受何种处理因素或同一处理因素的不同水平不是由随机化而定的。 例如，农村地区卫生服务需求情况调查. - 观察性研究的设计属于调查设计(survey design) （2）实验性研究 (experiment study) 指研究者能够人为给予干预措施的研究， 例如，健康教育能否预防小学生近视的研究。 小学生除每天做眼保健操外, 随机分为试验组和对照组。试验组另给予预防近视的健康教育。观察一段时间后，比较两组小学生的视力变化。 -它的设计对应于实验设计。 以下主要介绍实验设计的统计学部分 包括：基本要素、基本原则、常用设计方案、样本含

3、量的估计和临床试验设计10.1 实验设计的基本概念其他 处理 对象 效应 其他效应10.1.1 实验设计的三要素受试对象(object)，处理因素(treatment) 实验效应(experimental effect) 例如，研究某药对型糖尿病病人的降血糖效果。受试对象：型糖尿病病人处理因素：某药实验效应：血糖的变化值1处理(treatment)例：药剂、手术方法、毒物（1）抓住主要处理因素（2）区分处理与非处理因素（3）处理因素必须标准化2受试对象动物的选择：种类、品系、年龄、体重、窝别、营养病例的选择：纳入标准、剔除标准3效应(effect)指标的选择：准确(accuracy)；精密(p

4、recision) 灵敏(sensitivity)；特异(specificity)10.1.2 实验误差及其特点随机误差及其特点 随机误差是由大量微小的偶然因素引起的不易控制的误差； 大量重复观察的情况下，随机误差呈现出一定的规律性； 通过统计分析认识客观实际。非随机误差及其特点 - 偏倚 (bias) 没有规律，无法运用统计分析进行推断; 来源于研究过程的各个阶段; 一旦发生偏倚，事后往往无法纠正或弥补. 10.1.3 实验设计的统计学原则10.1.3.1 对照 (control) 目的：比较的对象；控制实验误差和系统误差同期对照(concurrent control): 在整个实验过程中，

5、对照组和实验组应始终处于同时同地基线(baseline) 比较: 对照组设立后，应检验两组开始时的状态是否均衡。 常用对照（1） 安慰剂（或空白）对照处理组： 其他处理 对象I 效应 其他效应对照组： 其他安慰剂 对象II 效应（或空白） 其他效应 安慰剂(placebo)无药理作用的“假药”或称伪药物(dummy medication)；外观(剂型、大小、颜色)、重量、气味及口味等与试验药物一致。 目的： 1）克服研究者、受试对象、评价者等由于心理因素所形成的偏倚，控制安慰作用； 2）消除疾病自然进程的影响，分离出由于试验药物所引起的真正反应。 安慰剂对照的使用要慎重，应以不损害病人健康为前

6、提。 （2）实验对照 例如, 强化铁预防缺铁性贫血，实验组儿童用强化铁酱油 (A+B)，对照组用普通酱油 (B)。处理组： 其他A+B 对象I A+B效应 其他效应对照组： 其他 B 对象II B效应 其他效应 (3)相互对照 处理组： 其他A 对象I A效应 其他效应对照组： 其他B 对象II B效应 其他效应 (4)自身对照例如,研究治疗烧伤新药，一部位用烧伤新药，另一部位用其它公认有效药物； 其他A 对象 A效应 其他效应对照组： 其他B 对象 B效应 其他效应 注意：前后对照不是同期对照。在实验中同样需要另外设立一个对照组，用处理前后效应的差值来比较实验组与对照组: 实验组:减肥茶 对

7、照组:普通茶问题: 研究减肥茶的效果，以肥胖病人用药前的体重作对照。妥否?(5)标准对照(standard control) 用现有标准值或参考值作对照-不好！(6)历史对照 (historical control) 与本人或他人过去的研究结果作比较 - 不好！ 10.1.3.2 随机化 (randomization) 随机化 (randomization)目的： 对付大量不可控制非处理因素的另一个重要统计学手段； 防止有意无意的”搞鬼”; 对资料进行统计推断的前提。 随机化应贯穿于研究设计和实施的全过程：1)抽样的随机化:总体中每个个体都有相同机会被抽到样本中来。 保证所得样本有代表性，使实

8、验结论具有普遍意义。 2)分组的随机化:每个受试对象被分配到各组的机会相等。 保证受试对象的其他状况在对比组间尽可能均衡，提高组间的可比性。3)实验顺序的随机化:每个受试对象先后接受处理的机会相等。 使实验顺序的影响达到均衡。10.2 随机化技术 10.3.1 随机数的产生1）抽签或掷硬币 (已过时)2）随机数(random number)随机数字表(现场用) 伪随机数(pseudo random number, PRN)： 介于0和1之间均匀分布的数字 统计软件中的伪随机数发生器: 如果每次将种子数(seed number)设为一样，产生的伪随机数便具有重复性。 - 必须报告:用什么统计软件

9、产生伪随机数? 种子数? 10.3.2 随机抽样、随机分组和随机排序1）完全随机化(complete randomization)步骤：编号、取随机数、定组别 例1 试将同性别、体重相近的15只动物分到A、B、C三组。(用随机数字表) 先将动物编号；从随机数字表中任一行(如第16行)最左开始连续取15个两位数字； 事先设定规则：每个两位数字除以3，余数0、1和2分别对应于A、B、C三组 2）分层随机化 (stratified randomization) 完全随机化并不能保证各组间一定达到良好的均衡性。 配对随机化(paired randomization) 以对子为“层” 区组随机化(blo

10、ck randomization) 以区组为“层”例2 为比较四种剂量的碘(A, B, C, D)对脾脏的影响。将小白鼠体重作为分层因素，试随机分配处理。 事先规定：在同一层内按随机数由小到大排序的序号分组10.3 常用的实验设计方案 考察单个因素的效应? 可选用 完全随机设计 配对设计 交叉设计 随机区组设计 考察多个因素的效应? 可选用 析因设计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一、完全随机设计 (completely randomized design)又称 简单随机分组设计(simple randomized design) 将同质的受试对象随机地分配到各处理组，再观察

11、其实验效应平衡设计(balanced design) ：各组样本含量相等非平衡设计(unbalanced design)：各组样本含量不等 二、配对设计 (paired design)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处理组。配对依据：可能影响实验结果的主要混杂因素动物实验：窝别、性别、体重等作为配对条件临床试验：病情轻重、性别、年龄、职业等作为配对条件。 在医学科研中，配对设计主要有以下情形：1）将两个条件相同或相近的受试对象配成对子(含同一个体的两对称器官或组织)，分别接受两种不同的处理。例 欲研究国产禽流感疫苗的效果，将同种属的鸡按性别相同，月龄、体重相

12、近配成对子，随机分成两组，接受国产和进口疫苗。2）同一受试对象(人或标本)分别接受两种不同的处理。 3)前后配对 ? - 同一受试对象接受一种处理的前后若仅观察一组，则要求在处理因素施加前后的影响因素如气候、饮食、心理状态等要相同，但常常难于做到，故存在一定缺陷，现已不提倡单独使用。配对设计的优点：抽样误差较小、 实验效率较高、 所需样本含量也较小；配对设计的缺点：配对失败或配对欠佳时， 反而降低效率 三、交叉设计(cross-over design)两种处理：A和B两个阶段：I和随机分两组：先A后B；先B后A优点：不受个体差异的影响，适用于慢性病。缺点：受试对象一旦在某一阶段退出试验，就会造

13、成该阶段及其以后的数据缺失。四、随机区组设计(randomized block design) 又称随机单位组设计、随机配伍组设计。 b 个区组：很不相同 每个区组内： k个受试对象 k 个处理：有待比较 将受试对象按性质(如动物的性别、体重，病人的病情、性别、年龄等非实验因素)相同或相近者组成b个区组(或称单位组、配伍组);每个区组中的k个受试对象分别随机分配到k个处理组中去。 例8-2 为探索丹参对肢体缺血再灌注损伤的影响，将30只纯种新西兰实验用大白兔，按窝别相同分为10个区组。每个区组的3只大白兔随机接受三种不同的处理，即在松止血带前分别给予丹参2ml/kg、丹参1ml/kg、生理盐水

14、2ml/kg，并分别测定松止血带前及松后1小时后血中白蛋白含量(g/L)，算出白蛋白的减少量如表8-4所示。问三种处理效果是否不同？五、析因设计(factorial design) 又称完全交叉分组设计 将两个或多个实验因素的各水平进行组合; 对各种可能的组合都进行实验.例8-3 研究者欲研究煤焦油(因素A)以及作用时间(因素B)对细胞毒性的作用，煤焦油含量分为3ug/ml()和75ug/ml两个水平，作用时间分别为6小时()和8小时()。将统一制备的16盒已培养好的细胞随机分为四组，分别接受A、B不同组合情况下的四种处理(、和)，测得处理液吸光度的值(%)，结果如表8-7。试对该资料进行分析

15、。优点：1）全面高效性 以最小的实验次数探讨各因素的主效应，同时可获得因素间的交互； 2） 通过比较各种实验组合，还能寻求最佳组合缺点: 工作量较大；统计分析复杂10.4 临床试验中的统计学原则临床试验：在人体(病人或健康志愿者)中进行的关于药品(常为新药)的系统性研究，前瞻性。主要目的：确定药品的疗效和安全性特点：1）以人为试验对象；2）对干预措施进行前瞻性的追踪研究；3）试验过程易受多种因素影响，可能有偏倚；4）试验病例需一定时间的积累 一、临床试验概况1.临床试验的分期 I期临床试验：初步的临床药理学及人体安全性评价试验 在数名志愿者身上进行，必要时可包括病人。观察人体对于新药的耐受程度

16、(tolerance)和药物代谢动力学(pharmacokinetics)，为制定给药方案提供依据。期临床试验：对新药的有效性和安全性作出初步评价，推荐临床给药剂量。盲法的随机对照试验(randomized controlledtrial, RCT)期临床试验：遵循随机对照的原则，进一步评价药物的有效性、安全性。扩大的多中心临床试验(multi-centerClinical trials) 期临床试验：在广泛使用的条件下，考察药品的疗效和不良反应。药品上市后的监测(post marketing surveillance)2. 病例报告表(case report form, CRF)表格文件，用

17、以记录每一名受试对象在试验过程中的数据,一式三份，用不同颜色标示，使用无碳复写纸复写内容和格式简明确切。观察项目：主要变量和相关信息。填写者：对效应的判断有统一认识、理解并直接接触受试对象者。不应涂改，如需更正，应将原数据划去，填上更正数据，并保证能看清，还需由更正者签字并注明日期。各种实验室数据均应记录或将原始报告粘贴在CRF上，在参考值范围内的数据也应记录。对明显偏离或在临床可接受范围以外的数据须加以核实，由研究者作必要的说明。 二、临床试验设计的特殊问题临床试验设计仍属实验设计的范畴，还需考虑其特殊的一面。随机化方法 随机化分组方案 分组方案的遮蔽(concealment)2. 盲法 -

18、 纠正偏倚的重要措施优点：能够避免受试对象和研究者的心理或精神因素影响，使评价、测量更为客观。如条件许可，均应采用盲法试验，双盲不行，则单盲采用单盲或非盲均应制订控制偏倚的措施盲法常和安慰剂同时采用盲法应自始至终地贯彻于整个试验之中： 编制盲底(blind codes)、试验药品的编码、受试对象入组用药、研究者记录试验结果和做出评价、监察员(monitor)进行检查、数据管理直至统计分析盲底泄露，试验视作无效！ 充分保障受试对象的个人权益知情同意(informed consent)向受试对象提供详细材料。不能强迫，受试对象同意后，须由受试者或其法定代理人在书上签字并注明日期，执行知情同意过程的

19、研究者或其代表也需在知情同意书上签名，并注明日期。受试对象保留在任何时候退出试验的权利。 3. 多中心临床试验 优点:可以在较短的时间内搜集所需的病例; 病例范围、临床条件广，结果具代表性实施：统一组织领导统一试验方案统一人员培训统一监控措施4. 临床试验的统计分析 设计、随机化、样本含量、指标选择、测量、盲法、伦理学要求 （1）按照治疗意向 (intention-to-treat, ITT)做数据分析 根据临床试验的要求，对经随机化并分配到各组的全部病例进行统计分析，而不管其是否依计划完成治疗试验。对于未能观察到全部疗效的病例资料：把最后观察到(脱落时)的结果作为其疗效 (carry forward of the last observation, CFLO)，这样的数据集称为全分析集(full analysis set) （2）符合方案 (per protocol, PP)的数据分析，对所有符合试验方案、依从性好(如服用试验用药数量在该病例需要服用量的80%-120%)、试验期间未服用违禁药、完成CRF规定填写内容的病例进行统计分析，这样的数据集称为符合方案集(per protocol set)。对