科研方法导论实验设计4讲解课件

1、科研方法导论实验设计4讲解课件科研方法导论实验设计4讲解课件 分类： 实验研究设计：以动物或人体生物组织、标本研究对象 对象 临床试验设计：以人(患者或健康者)为研究对象 研究因素实验组数单因素设计：随机设计、配对设计两因素设计：配对设计、配伍设计三因素设计: 拉丁设计、youden设计交互作用设计: 析因设计、正交设计两组比较多组比较多因素多水平研究 分类：单因素设计：随机设计、配对设计两因素设计：配对设计完全随机设计(randomized controltrial test RCT ）科研方法导论实验设计4讲解课件基本方法：单因素研究实验对象随机分组,实验顺序随机分组每组例数可相等或不相等

2、 研究对象总体或目标人群研究对象样本随机抽样非随机抽样随 机 分 配对照组处理组1处理组k比较效应指标平行观察基本方法：研究研究对象随机抽样非随机抽样随 机 分 应用范围 :最常用的一种设计方法非实验性因素对效应指标影响不是很大 实验性因素对效应指标的影响在实验组和对照组能均衡无法采用配对或配伍设计的实验 应用范围 : 优缺点优点：实验设计和统计分析简单，缺点：一次只能研究一个因素，且所需要的样本量比较大。因此，设计的效率不高 优缺点统计分析方法计量指标 如果是两组计量指标的比较，通常采用t (u ) 检验或秩和检验；若是多组比较，采用单因素的方差分析和两两比较的q 检验，也可用秩和检验法。计

3、数或分类指标 如果对病因或危险因素的分析，计算其发病率、死亡率、并作2检验;计算相对危险度及归因危险度。如果是研究某治疗措施的生存时间，可进行n年生存率的计算和平均生存期的比较。统计分析方法随机对照设计的评价对非研究因素的影响，是否采用分层随机分配的办法进行了平衡。（见例）样本量的估计是否合理，可以通过计算型错误的大小和检验效能Power值进行评价。是否确定了合理的实验组数。随机对照设计的评价例 有一CRT试验，是用奥美拉唑、克拉霉素和阿莫西林治疗幽门杆菌感染的十二指肠溃疡及慢性胃炎患者151例，分为三组，见下表： 十二指肠溃疡及慢性胃炎随机对照实验 例 有一CRT试验，是用奥美拉唑、克拉霉素

4、和阿莫西林治疗幽 例如，在比较某肿瘤切除后化疗和放疗的效果若事先对化疗和放疗的疗效未确定，则应设化疗组、放疗组、空白组；如果已知化疗和放疗都有效果，只是想比较两者何者为优，则只需设计化疗组和放疗组；如果还想了解化疗组+放疗治疗是否疗效更好，则应设计空白组、化疗组、放疗组、化疗组+放疗组四个组，此时的统计学分析应采用2 2析因设计的分析方法。 例如，在比较某肿瘤切除后化疗和放疗的效果配对设计matched pairs design科研方法导论实验设计4讲解课件含义与特点： 配对试验的基本思想是使实验组和对照组间非试验因素的条件均衡，使得试验因素的效应更容易显示出来，以提高试验设计的效率，减少样本

5、例数的需要量。含义与特点：种类：实验前后配对 （自身对照试验 ）异体配对设计种类：实验前后配对 （自身对照试验 ）异体配对设计实验前后配对 比较受试者实验前后的变量值改变情况 比较同一标本接受两种不同测定方法的检查结果 实验前后配对 优点: 能有效的控制个体间的差异，使得误差控制在最小的程度 缺点: 受试对象在实验过程中可能会发生某些条件的改变 ，会导致实验前后的条件不一致，产生对实验结果的偏性 优点:适用的范围 ：急性和短期的实验 病情稳定的慢性病中观察短期对症治疗的效果 适用的范围 ：统计分析方法 ：定量测定指标采用配对t检验或符号秩和检验 分类指标采用配对2检验比较何者方法优劣或实验前后

6、有无差别 对两者的吻合程度，可采用Kappa值的一致性检验方法。（见例） 统计分析方法 ：例 两名放射科医师对200名棉屑沉着病可疑患者的诊断结果见表6-3，试判断两医生的诊断结果是否具有一致性。 表5.3 200名棉屑沉着病可疑患者的诊断结果 两医生判断的一致性可通过计算其Kappa值进行判断： 例 两名放射科医师对200名棉屑沉着病可疑患者的诊断结果见PA 两者实际观察一致率 PA=A/NPE 期望一致率 PE=E/N本例，PA=（78+56+32）/200=0.83，PE=(8483/200)+(7175/200)+(4542/200)/200=0.355 Kappa0.4即可说明两者的

7、一直性较好，本例Kappa为0.736，两医师判断的一致性较好。Kappa值同样存在抽样误差 ，应进行假设检验。 PA 两者实际观察一致率 PA=A/N异体配对设计heterogeneous paired design科研方法导论实验设计4讲解课件含义及特点：是将受试者按照一定的条件，将条件相同的个体配成对子，在对子内按照随机方法，将一个分配到实验组，另一个分配到对照组，进行实验观察。模式： 研究对象总体或目标人群研究对象实 验 对 子实验组对照组随机分配 配对条件平行观察实验结果含义及特点：研究研实 验 对 子实验组对照组随配平优点：异体配对设计可以改善实验组与对照组的齐同性,能进行同期平行

8、观察结果 ；缺点：确定匹配的条件，常见：动物的种属、品系、性别、体重、窝别、生长天数作为配对的基本条件 匹配“过头”等问题应用范围：急性实验慢性实验的研究统计分析： 同自身配对优点：配对设计与完全随机设计的比较 一般来说，配对设计的效率高于完全随机设计，前提是正确选择与控制配对的条件，保证对子数呈正方向变化，否则，完全随机设计的效率则不一定高 例： r=0.382, t配对=2.676,P0.05。 配对成功配对设计与完全随机设计的比较 一般来说，配对设计的效率高交叉试验设计Cross-over design科研方法导论实验设计4讲解课件基本方法：将两种处理因素在实验组和对照组间交叉进行 研究

9、对象总体或目标人群研究对象样本实验对子实验组1实验组2E1E2E3E4洗脱期洗脱期处理A处理B处理A处理B随机分配基本方法：将两种处理因素在实验组和对照组间交叉进行研究研究实适用： 动物研究 临床研究 尤其是在临床的慢性病研究 如：高血压/溃疡/支气管哮踹 适用： 优点： 不但平衡了个体间的差异（通过配对），并平衡了实验顺序间的差异（通过处理因素的交叉进行）。因此，有效地提高了设计效率，并较大程度地节约了样本含量。 科研方法导论实验设计4讲解课件统计分析方法： 1. 结果观察为计数（分类）资料：整理为配对的四格表资料。采用配对卡方检验分析。 例:选择有输血发热反应而需要继续输血的住院病例，随机

10、分为两组，第一组36例，在输血前先用盐酸苯海拉明40mg肌注，无论有无预防发热反应的效果，在下次输血前均改用氢化考的松50mg静滴。第2组37例，在输血前先用氢化考的松静滴，待下次输血前改用苯海拉明肌注。见表： 经配对卡方检验，2=3。68，P0.05,说明两种药物在预防输血发热反应效果的差别无显著性 统计分析方法：2. 结果观察为计量资料的，采用方差分析例. 欲比较A、B两种降压药的效果，选择6对（12例）患者，进行交叉试验。先采用随机的方法，将每一对病人到AB组（即先用A药再用B药）和BA组（即先用B药再用A药）。病人先进行不用任何降压药的四周观察，如连续三次血压都稳定在一个水平后，AB组

11、病人开始服用A药，BA组病人开始服用B药。治疗四周后，测定病人的血压值。再经过四周的洗脱期，待血压稳定，AB组病人开始服用B药，BA组病人开始服用A药。四周治疗后，再测定其血压值。然后统计分析两组血压值的改变，判断两种降压药的效果 2. 结果观察为计量资料的，采用方差分析A、B两种疗法治疗高血压下降值（mmHg)A、B两种疗法治疗高血压下降值（mmHg) 分析： 在交叉设计的方差分析中，可以将数据的总变异分解为处理间、阶段间、个体间与误差项，并分别判断三种变异对实验效应的影响。 分析： 分析步骤： 假设： 不同个体间差别无显著性 不同阶段差别无显著性 不同处理因素间差别无显著性 F个体=Ms个

12、体/Ms误差 F阶段=Ms阶段/Ms误差 F处理=Ms处理/Ms误差 二、变异的分解 1、常规的方差分析法： SS总= SS个体+ SS阶段+ SS处理+ SS误 总=n-1 个体=配对数-1 阶段=阶段数-1 处理=处理因数-1 上例： SS总=232+102+262+132-(4562/24)=1338 SS个体=1/2(442+212+31)-(4562/24)=1008 ss阶段=1/12(2402+2162)-(4562/24)=24 SS处理=1/12(2522+2042)-(4562/24)=96 SS误差=1333-1008-24-96=210上例： 从上面方差分析的结果可见，

13、不同的治疗方案，不同的阶段，差别都没有统计学意义，只是个体间差别具有统计学意义。交叉设计的方差分析表（常规方法） 从上面方差分析的结果可见，不同的治疗方案，不同的阶 2、差数法：通过相减求出差数，“消除”顺序和个体间的效应，只剩下处理的效应。 SS总= SS处理+ SS误 =I-1 =K-1 =I-K 差数法：差数法：1.计算效正数： C=(d)2=36+(-12)2/12=482. 计算总的离均差平方和： SS总=d2-C=660-48=6123. 计算组间离均差平方和 SS组间=1/6(d1)2+(d2)2-C =1/6362+(-12)2-48=192 方差分析表(差数法)1.计算效正数

14、：方差分析表(差数法)交叉设计应用的注意事项： 1在交叉设计中，两种处理因素的效应不能有蓄积作用和(或)交互作用，否则，观察指标会有“滞溜”效应。2处理之间应有时间的间隔，间隔时间的长短取决于处理因素对实验对象的作用时间。如药物在体内的排泄时间(washout time )，通常称为洗脱期。洗脱期的长短通常认为应大于68个半衰期。3交叉设计不适合用于有自愈趋向或病程短的临床研究。否则，难于判定是自愈的结果还是药物的作用。在慢性病的研究中，也要注意整个研究过程中保持条件的一致性。4在临床研究中，交叉试验应当采用盲法。使观察者和患者不知道在哪个阶段使用有效药物，以免产生偏倚。交叉设计应用的注意事项

15、： 例. 欲比较A、B两种降压药的效果，选择10对（20例）患者，进行交叉试验。先采用随机的方法，将每一对病人到AB组（即先用A药再用B药）和BA组（即先用B药再用A药）。病人先进行不用任何降压药的四周观察，如连续三次血压都稳定在一个水平后，AB组病人开始服用A药，BA组病人开始服用B药。治疗四周后，测定病人的血压值。再经过四周的洗脱期，待血压稳定，AB组病人开始服用B药，BA组病人开始服用A药。四周治疗后，再测定其血压值。然后统计分析两组血压值的改变，判断两种降压药的效果。 例. 欲比较A、B两种降压药的效果，选择10配伍设计randomized block design科研方法导论实验设计

16、4讲解课件配伍设计 是配对设计的扩大。或者说配对设计是配伍设计的最简单形式，在配伍设计中，是将几个条件相同的受试对象划成一个配伍组或区组，配伍组中观察对象的数量，取决于对比组的组数，或是对比组数的倍数，将配伍组中的受试对象采用随机的方法，分配到不同的对比组中，以增强各对比组的均衡性。配伍设计 设计模式：研究对象总体或目标人群研究对象配伍组设定配伍条件实验组1实验组2随机分配:实验组K年龄、性别、营养状况等设计模式：研究研究配伍组设实验组1实验组2随:实验组K年龄、 特 点:配伍设计属于两因素设计，它不仅可分析处理因素（因素）间的实验效应有无显著性，同时可分析配伍组（因素）间的实验效应有无显著性

17、在样本的分配上，不仅各处理组的样本量相等，而且，每个区组所含的受试对象例数与处理组数相等或是倍数由于配伍组内各实验对象条件相同或基本一致，组间的均衡性较好。因而抽样误差较小，实验效率较高。 特 点:应用范围 不管是在动物性实验还是临床研究中，凡是要进行两种处理因素、每个处理因素有两个或两个以上水平的研究均可以采用配伍设计的方法。如观察不同药物（因素）和不同病程（因素）对患者的治疗效果（试验效应）的影响；中西药结合治疗肝炎病人中，研究不同方剂（因素）和不同证型（因素）的的疗效（试验效应）。配伍设计是医学研究中常用的一种设计方案。应用范围统计分析对于计量资料 通常采用两因素的方差分析(配伍方差分析

18、)，但需注意应用方差分析的前提是：观察值呈正态分布并方差齐性。通过数据转换的办法使之达到方差齐性和正态分布。在两因素的方差分析中，是将数据的总变异分解为处理因素(因素)的变异和配伍组(因素)的变异，再分别的判断处理因素和配伍因素对实验，效应的影响效应。统计分析对于观察指标是计数资料 通常可采用配伍的秩和检验，或将以率作为观察指标的通过反正弦变换后，采用方差分析进行分析。对于观察指标是计数资料 通常可采用配伍的秩和检验，或将以率应用的注意事项: 在配伍设计中，通常是将主要研究的因素（处理因素）作为第一因素，而将次要因素作为第二因素或作为配伍的条件。 正确确定配伍条件是保证配伍设计成功的前提，通常

19、是将对结果影响较大的因素作为配伍的条件，配伍的条件不能太多，否则，难以划分配伍组。特别要注意的是不能将处理因素作为配伍条件而出现配伍“过头”的情况。 配伍设计研究在动物性实验中容易实施，特别是用小动物进行实验时，常将动物的品种、窝别、性别、体重、生长的天数作为划分配伍组的条件。应用的注意事项: 拉丁方设计(Latin square design ) 含义:是一种用于安排三因素多水平对研究对象作用的一种设计方案。由于这种设计方案是按r个拉丁字母排成r r的方阵，因此，又称为r方拉丁设计。各因素的水平数必须要相等，且各因素间不能有交互作用 拉丁方设计是一种设计效率高，节约样本量的一种设计方案。含义

20、:模式 : 模式 :应用范围 :凡三因素实验，若每个因素的水平数相等，均可采用拉丁方设计 如:细胞培养、动物实验、化学分析的条件 应用范围 :设计步骤 : 根据因素的水平数r选择标准拉丁方对标准方进行随机化，使得在每一行、每一列没有字母的重复出现规定行、列、和字母所代表的因素和水平设计步骤 : 例如: 研究不同的蛇毒成份对不同瘤株的抑瘤作用，设计三个处理因素：1）四种蛇毒成分 2）四种不同的瘤株 3）四种蛇毒的计量 ,分别为:瘤株种类 A(肉瘤) B(肝肉瘤) C(艾氏腹水瘤) D(网状细胞瘤)蛇毒成份(峰) IV蛇毒剂量 1(0) 2 (0.03) 3 (0.05) 4(0.075)(mg/

21、kg)例如:A B C D C B A DA B C D 随机化 A D C BA B C D D A B CA B C D B C D A 行： 蛇毒剂量 (mg/kg) (1、2、3、4) 列： 蛇毒成份（峰）（、IV）字母： 瘤株种类(A、B、C、D) A B C D 表中，第一行第一列记录接种艾氏腹水瘤株匀浆的小白鼠注射蛇毒成份峰计量0.000mg/kg（即空白实验对照）解剖所称瘤重。第一行第二列记录接种肝肉瘤株匀浆的小白鼠注射蛇毒成份峰计量为0.000mg/kg解剖所称瘤重，以次类推。根据以上的安排，进行实验和数据的收集 表中，第一行第一列记录接种艾氏腹水瘤株匀浆的小白鼠注射拉丁方设

22、计的统计分析 :SS总=SS行+SS列+SS处理+SS剩余假设：H0：(1) 不同剂量组之间瘤体生长的总体均数相等； (2) 不同蛇毒成份之间瘤体生长的总体均数相等。 (3) 不同瘤株之间瘤体生长的总体均数相等。 H1：(1) 不同剂量组之间瘤体生长的总体均数不全相等； (2) 不同蛇毒成份之间瘤体生长的总体均数不全相等。 (3) 不同瘤株之间瘤体生长的总体均数不全相等。 拉丁方设计的统计分析 :SS总=SS行+SS列+SS处理+S科研方法导论实验设计4讲解课件拉丁方设计的注意事项: 在拉丁方设计中，不但需要对样本的进行随机分配，对处理因素的各水平安排和拉丁字母关系也应进行随机分配。 三个因素

23、之间不能有交互作用 可以通过重复的办法对误差项进行估计，以提高结论的可靠性。拉丁方设计的注意事项: 正交实验设计（orthogonal experiment design） 科研方法导论实验设计4讲解课件正交实验设计 是一种高效、快速的研究多因素多水平设计方案。它通过一套规格化的正交表和交互作用表，对研究因素进行合理安排，并对结果进行统计分析，以获得相关的信息。 正交实验设计含义与特点 : 正交表的表达形式为Ln( tc )。L为正交表的代号，n为实验次数，t为水平数，c是能安排的因素个数。如L8( 27 )，表示对7个因素，每个因素安排2个水平，做8次实验的正交表。含义与特点 :每一列中不同

24、的数字出现的次数是相等的次数是相等的，上表中“1”、“2”在任意一列出现的次数都一样；任意两列同一行数字配搭均匀，如在1、2列中，共有8对，1.1、1.1、1.2、1.2、2.1、2.1、2.2、2.2。它体现了正交表的均衡性。每一张正交表都对应了一张交互作用表，它是专门用来安排交互作用的 每一列中不同的数字出现的次数是相等的次数是相等的，上表中“ 在正交表中的任意两列的交互作用都出现在其他列。如第1、2两列的交互作用表现在第三列。这样的安排可以使交互作用的效果能独立进行分析。 在正交表中的任意两列的交互作用都出现在其他列。如第1、正交实验的表头设计: 正交表的表头设计就是根据研究目的、研究的因素个数和研究因素的水平数选择正交表并安排实验因素和交互作用项的过程，即是正交设计方案。科研方法导论实验设计4讲解课件表头设计主要步骤是：（1）根据实验因素的个数、交互作