科研基本方法-第二讲实验计原则

1实验设计原则胡冬梅实验设计简介1935年,Fisher系统介绍研究设计，首次提出研究设计的基本原则。TheDesignofExperiments.RAFisher(1890~1962)R.A.Fisher(1925)系统介绍近代统计学方法TheStatisticalMethodsforResearchWorkers3第一节实验设计的基本要素

实验设计是在其它因素严格控制的条件下，对实验因素产生的实验效应进行观察。实验设计主要是对实验因素作合理有效地安排，最大限度地减少实验误差，使达到高效、快速和经济的目的。实验设计的基本要素包括处理因素、受试对象和实验效应三个组成部分。4一、处理因素（研究因素）处理因素——就是指在实验研究中有目的地加到受试对象身上的因素，包括固有因素和施加因素。与其相对应的是所谓非处理因素，它是指非有意加到受试对象身上，而在实验中可能起到干扰作用的因素。常见的混杂因素年龄、性别病程、病情疾病史、家族史、伴发疾病工作性质、工作环境生活习惯、条件6一、处理因素（研究因素）确定处理因素时要注意以下几个问题：

处理因素的数目及水平不宜过大要确定处理因素与非处理因素处理因素的强度要适宜

处理因素必须标准化7二、受试对象

医学研究的受试对象通常是人和动物，在实验设计时首先要确定试验对象，并对实验对象和条件作严格规定。临床试验对象：病人动物实验对象：动物(实验室)1.受试对象的纳入和排除标准2.选择对处理因素敏感性强的受试对象3.选择依从性好的患者作为研究对象4.注意医学伦理学问题（1）成年人：18—65岁，男女不限；（2）经临床确诊，患有急性细菌感染需要进行全身抗菌药物治疗的患者；（3）细菌学证实，即致病菌培养阳性；（4）病人无严重肝、肾、心脏及造血系统疾病；（5）病人需知情同意等。例在考核抗菌药物疗效时，病人入选标准是：病人的排除标准是：（1）药物或食物过敏史者；（2）过敏状态，如过敏性疾患合并感染；（3）造血功能障碍（特殊情况例外）；（4）妊娠及哺乳期妇女；（5）精神状态不能很好合作者；（6）正在应用其它抗菌类药物者等。11三、实验效应指标的关联性指标的客观性指标的灵敏性指标的特异性指标的精确性指标的关联性选用的指标必须与所研究的题目具有本质性联系，且能确切反映被试因素的效应。所选指标是否具有关联性，充分反映了研究者的专业知识与技术水平。指标的客观性指标数据来源决定它的主、客观性质。主观性指标来自观察者或受试对象，易受心理状态与暗示作用的影响，在科研中一般尽量少用。客观性指标是指通过精密设备或仪器测定的数据，能真实显示试验效应的大小或性质；排除了人为因素的干扰。指标的灵敏度是增强实验效应的一种重要手段。如，研究某药治疗缺铁性贫血的效果，可选用临床症状，体征及血红蛋白，也可选用血清铁蛋白含量的变化作为观察指标；但前三者作为观察指标不够灵敏只有在缺铁较为严重的情况下才会出现血红蛋白的变化和贫血的症状，体征；若选用血清铁蛋白的含量作为观察指标，则可敏锐地反映处理因素的效应。指标的精确性精确性具有指标的精密度与准确度双重含义。准确度是测定值与真实值接近的程度。精密度是重复测定值的集中程度。从设计角度来分析，第一强调准确，第二要求精密。既准确又精密最好，准确但精密度不理想尚可，而精密度高但准确度低则不行。准确度与精密度17第二节实验设计的原则

处理因素T能得到相应的、准确的试验效应e，即e是T相应的结果：

T→e

非处理因素S，非处理因素试验效应sT+S→e+s18一、实验设计的原理实验效应e是与s混在一起的，实验设计的主要任务是如何使e能单独显示出来。如试验设立对照，使试验中两组的S均衡，即S1=S2，这样试验组中T的效应e就可显示出来。在相互对照设计中：试验组：T1+S1→e1+s1

对照组：T2+S2→e2+s2

19二、实验设计的四原则对照原则均衡原则随机原则重复原则20（一）对照原则印度1924~1939年长达15年之久一直以吞金(金铂）的方法治疗结核，上百名学者发表文章证明有效，甚至编入教科书，直到1939年，有人进行了对照实验，证明吞金有害无益，此法方休。1945年，有人以对照的方法只用了16个月的时间就证明链霉素对结核有效，沿用至今。21对照的作用：使处理因素产生的效应显示出来，消除了非处理因素的影响。消除和减少实验误差。对照组的作用（一）处理组

处理因素+非处理因素处理效应+非处理效应对照组

(无)非处理因素(无)非处理效应比较结果

处理因素

处理效应

排除“非处理因素”的影响，从而衬托出“处理因素”的作用。对照组的作用（二）设立对照组，样本含量增加了一倍，标准误降低24对照的形式空白对照实验对照标准对照自身对照相互对照历史对照空白对照：指对照组不施加任何处理因素或干预措施的条件下进行观察的对照。例如,研究甲流疫苗的效果。前提是确知对照干预对实验结果无影响，不会延误对照病人的诊断、治疗和康复。因此在临床上用的较少，不符合伦理对于受精神心理因素影响大的疾病可以使用安慰剂对照，如睡眠障碍等。国外有人对199例头疼病人只给安慰剂观察，结果120例有效。

实验对照：对照组不施加处理因素，但施加某种与处理因素有关的实验因素。凡是对实验结果有影响的操作、溶媒、试剂等都应设立实验对照例：两组学生，一组食用的面包里加上赖氨酸，一组的面包里不加赖氨酸，面包是实验方式。标准对照：不设立对照组，而是用现有标准或正常值作为对照。实验研究一般不用标准对照，因为实验条件不一致。例：一些心理的指标与常模比较样本与总体的比较大学生scl90常模：躯体化1.37+0.48敌对性1.46+0.55强迫1.62+0.58恐怖1.23+0.41人际关系1.65+0.61偏执1.43+0.57抑郁1.5+0.59精神病性1.29+0.42焦虑1.39+0.43自身对照：对照和实验在同一受试对象进行例：常见的有治疗前后，属配对设计手指血和耳垂血的白细胞数，白斑部位与正常部位白介素IL-6的水平相互对照：各实验组间相互为对照例，如新药和旧药，结论往往会说明谁好谁差历史对照：又称为文献对照或回顾对照，以本人过去的研究/他人研究结果与本次研究结果作对照用的较少，因为条件发生变化，可比性差。但若考虑时间因素带来的变化，可以采用，如，研究我国1990年与2010年间12岁男孩的身高变化。常见不当对照对照重叠

例如：有位医师研究工人接触苯对健康的影响，指标是尿中的某一代谢产物，他设置的对照组是不接触苯的工人，以接触苯的工人为实验组，分别测定对照组与接触组工人工作前后尿中代谢产物变化。该设计用接触组工人工作前后尿中代谢产物比较已经是实验前后的自身对照(同源配对法)，没有必要再以不接触苯的工人为对照。常见不当对照多余对照新旧两种抗生素，已知两种药物均有较好的疗效，需进一步比较两药的疗程长短及不良反应大小。在设计时设置3组：新药组、旧药组和空白对照组。此处设立的空白对照组是多余的，只要进行新旧药物比较即可解决问题。常见不当对照对照不足

有人设计某杀虫剂污染粮食对实验动物健康的影响，实验分3组：①污染米饲料组②污染带糠皮米饲料组③非污染米饲料组

缺非污染带糠皮米对照组常见不当对照误用空白对照

实验研究中常易用空白对照代替实验对照而做出科学性不强或错误的结论。例如，有文献报道，针刺狗的“人中沟”穴位对失血性休克的血压与心脏血流动力学有改善作用，采用的是空白对照法(对照组只失血造成休克，而不进行针刺)。这只能说明针刺对失血l生休克有作用，而难以说明针刺“人中沟”这一特殊穴位的作用。因为针刺任何部位或穴位造成的刺激都可能对改善失血l生休克有作用。35（二）均衡原则（齐同原则)各组之间除处理因素不同外，其他的非处理因素应该完全一致或基本一致，这就称为均衡性好。均衡的方法最常用的有以下两种方法。

l.交叉均衡

2.分层均衡l.交叉均衡此种均衡方法是在实验单元中各设立实验组和对照组。以便两组的非处理因素均衡一敛。第一设计方案第二设计方案

l.交叉均衡例观察药物治疗骨折的效果30只鸡甲乙两个幼儿园流感发生率不同学校学生服用赖氨酸。例如某研究者欲说明某A药物治疗儿童轻度缺铁性贫血的疗效设计：在甲小学观察100名确诊为轻度缺铁性贫血的儿童，服用A药作为实验组；在乙小学观察100名确诊为轻度缺铁性贫血的儿童，未服用A药作为对照，观察指标是血红蛋白含量。结果甲小学观察对象血红蛋白均值明显上升，乙小学观察对象血红蛋白略有提高，但较甲小学低。因而得出结论是A药有升血红蛋白作用，用于治疗缺铁性贫血有效。这一设计和结论，从逻辑上看似乎合情合理无可挑剔：设置了对照组，且两组间年龄、性别和其他条件基本一致，但仔细推敲这种设计是不能得出上述结论的。它的致命缺陷是实验设计存在不均衡问题，即不清楚两所小学儿童的家庭经济条件、地理位置、儿童饮食习惯、营养条件是否相同或很相近，如果明显不同，则影响血红蛋白含量的因素除药物外，也可能是儿童饮食营养条件，不能将血红蛋白量升高这一结果完全归之于A药的疗效。因此认为这个没计是不均衡设计。在实验中，影响实验效应最主要的非处理因素称为混杂因素。本实验的混杂因素是饮食习惯和营养条件。这个混杂因素得不到控制，就不能作出上述结论。但要通过改变儿童饮食习惯和营养条件来控制这个混杂因素是比较困难的，可通过交叉均衡设计，以达到均衡目的。可将该例设计改为：使甲小学100名儿童随机分成两组：50名服用A药，50名不服药；乙小学100名儿童也随机分成两组：50名服药，50名不服药。观察一段时间后，将测得甲小学50名服药儿童和乙小学50名服药儿童合并，作为实验组求平均值，再将两小学各50名未服药儿童的测定结果合并，作为对照组求平均值。这样两组比较，如经显著性检验后，实验组的血红蛋白值高于对照组，且有统计学意义，就可以说A药对血红蛋白有影响，并认为对儿童轻度缺铁性贫血有治疗作用，这样的结论是比较可靠的。2.分层均衡：是将混杂因素按不同水平划分为若干单位组，然后在每个单位组内安排处理因素。例：研究药物对高血压病的疗效，因为高血压有轻度、中度、重度之分，如果任意把一些高血压病人分组治疗，即使完全随机也不合理。因为有的组重度多，有的组轻度多。故应该先把轻、中、重度的高血压分层，然后在每一层内再随机分组，这样才能做到组间均衡。例如，欲研究振动作业对工人上肢甲皱皮肤微循环的影响，且要看每天从事不同振动时间对微循环的影响。拟观察32人，分为4组：即第一天检查未从事振动作业的行管人员8人为对照组，第二天检查每天从事振动作业2小时的8人为实验一组，第三天检查每天从事振动作业4小时的8人为实验二组，第四天检查每天从事振动作业8小时的8人为实验三组。如果实验室不是恒温，受室外温度的影响，这个设计方法是不合理的，因为室温这一混杂因素影响皮肤温度的变化，将直接影响肢端微循环检查结果，会使处理因素与混杂因素交织在一起，得不出处理因素的效应和差别。若每天检查各处理组中2名受检者，这样每组中都有2名受检者在同一室温下进行检查，使室温这一混杂因素得到均衡。42实验日期处理ABCD12222222223222242222有人观察某种晕船药效果以乘客为观察组给晕船药，以船员为对照组不给晕船药乘客上船后即通过广播宣传，凡领晕船药的为观察组，以未领药者为对照以上船第一个乘客为观察组给晕船药，第二个乘客为对照组不给晕船药，第三个给，第四个不给，以此类推。上船的第一个晕船乘客给晕船药为观察组，第二个晕船乘客给安慰剂，第三个给真药，第四个给假药，以此类推。实例1规定实验组适应症为：破膜和总产程都不超过24小时，无感染(无阳性体征，血常规正常)以及第一胎产后本人同意放置宫内节育器者。另将筛选剩下的827例作为对照组，不放置宫内节育器。本例，两组除处理因素(放置节育环)不同，受试对象的基本条件也不同，试验组较好，而对照组差，缺乏可比性。中华妇产科杂志，1985；20(1)：49～50。

《剖腹产同时放置宫内节育器735例的初步观察》将施行剖腹产手术1562例中的735例作为实验组，在剖腹产的同时放置宫内节育器。比较两组被观察对象的术后出血、恶露干净时间和术后副反应等情况。实例2

《乳腺癌发病危险因素的研究》研究采用病例－对照方法调查607对病例与对照，配对的条件是年龄相仿，上下不超过5岁。原文在未作假设检验的情况下，认为“两组年龄相仿”。

年龄病例组人数对照组人数

20～ 3 6 30～7284 40～193244 50～228199 60～10167 70～107中华流行病学杂志，1981;2(4):2532=17.25，P=0.00446（三）随机原则

随机原则的概念：在选取样本时，应确保总体中任何一个个体都有同等的机会被抽取进入样本；在分配样本时，应确保样本中任何一个个体都有同等的机会被分入任何一个组中去。随机原则的作用：其作用就是使样本具有极好的代表性，使各组受试对象在重要的非实验因素方面具有极好的均衡性，提高组间实验资料的可比性。随机与随意随机：random机会均等，客观性随意：aswill随主观意愿，主观性例如,在比较保守疗法与手术疗法对胃溃疡合并穿孔治疗的疗效时．把那些不伴有休克、穿孔范围小的患者分到保守疗法组．而把那些全身状况严重、穿孔范围大、不得不进行手术的患者分到手术组．其结果必然掩盖两种疗法之间的差别。例如，想知道某抗生素对呼吸疾病的治疗效果，分组的时候以10月~2月的患者为一组，3月~6月的患者为一组会产生偏倚，因为呼吸科的疾病有季节性随机化的方法抽签法利用随机数字表随机排列表(或称随机化分组表)。50随机数字表随机数字表常用于抽样研究及受试对象的分组随机化。表内的数字互相独立，无论从横行、纵列或斜向等各种顺序均呈随机状态，使用时可以从任一数字开始，按任何一个顺序录用。例，

10人中抽取3个人编号0123456789随机数：规定起始位置和方向，如6行7列下右1位，结果5，2，9编号12345678910随机数要取两位，相同数和大于11的数舍去6行6列右下2位结果：6，1，753随机数字表编号123456789101034743738636964736612977424676242811457203167662276656502671074125685992696966827315655956356438548246226162277943949544354827844217533157245506888630163785916955567199332112342978645607821057608632440947279654例，

3000人中抽取3个人编号000100020003……3000随机数：规定起始位置和方向，如3行2列右下4位，7662，2766，5650，2671，0732如何规定编号医院的病人：按就诊顺序编号社区：①按住址的门牌号排序②按身份证顺序学校：按学号动物：按体重编号例，10人随机分成2组编号12345678910随机数：规定起始位置和方向，如1行1列下右2位分组原则：奇数入A组，偶数入B组结果：12345678910

03971612551684633357

AABBABBAAA从A组取一个分到B组例，12人分成三组编号123456789101112随机数：规定起始位置和方向，如1行1列下右2位分组原则：随机数除3余数为0入A组，余数为1入B组，余数为2入C组结果123456789101112

039716125516846333574774

ABBABBAAAACC58随机排列表

利用随机排列表进行随机分组较利用随机数字表更为简单，但不适用于随机抽样的研究。随机排列表包括10，20，30，40，50，100个自然数随机排列而成的六种表格，见附表2至附表7。59随机排列表编号1234567891011270846539227649538103385917260440496381257590276183456834256079175613407982879850241639413829507610650173942860例，10只动物分成两组排序取随机排列表规定分组原则：①奇数入A组，偶数入B组②0-4入A组，5-9入B组动物号12345678910随机数3859172604分组BABBBBAAAA18只小鼠分成3组1~6A组，7~12B组，13~18C组取n=20的随机排列表第三行，舍去>18的动物号123456789101112131415161718随机数060809121405181504031302010711161710分组ABBBCACCAACAABBCCB62具体随机分组方法完全随机设计的随机分组方法配对设计的随机分组方法配伍组设计的随机分组方法对处理因素随机排列63（四）重复原则重复是消除非处理因素影响的又一重要手段。重复程度表现为样本含量的大小和重复次数的多少。样本含量越大，则抽样误差越小，样本越能代表总体。但是，样本含量太大或实验次数太多，不仅会增加严格控制实验条件的困难，也会造成不必要的浪费。1.样本含量估计的意义

样本含量（samplesize），又称样本容量、样本大小，是指在实验研究和调查研究中，每个样本所包含的观察对象的数量。它体现研究设计中重复性原则，其意义在于估计研究中的误差，且抽样误差的大小与样本量有关。足够的样本量也是实验研究中保证组间均衡性的基础。经验估计样本大小

★一般慢性疾病计数资料要100～300例，如是多指标的计量资料（分组），每组需30～50例★新药（中药）临床研究，不少于300例。★公认难治疾病（如恶性肿瘤）的临床研究5-10例。特殊情况下，个案报告也有价值。★危重疾病（如休克、心衰等）的临床研究，一般计数资料每组30～50例，计量资料每组10～30例★避孕药物要求不少于1000例，每例观察时间不少于12个月经周期

2.样本含量的影响因素：数据的种类： 定量<等级<定性个体的变异： 变异小，样本含量少组间的差别（处理因素的效应大小）：差别大，容易鉴别，n少各组例数的分配： 均衡时，n少I型错误和II型错误：小，n大单侧检验还是双侧检验：双侧检验所需n大

1.第一类错误概率大小（或置信度1-），越小，所需要的样本含量越大，根据研究问题的性质和研究目的决定I型错误的概率值，通常情况下，取0.05，可取单侧或双侧。

2.第二类错误概率大小，越小，检验效能1-越大，所需样本量也越大，一般要求检验效能不低于0.80。一般只取单侧。在参数估计的样本量估计中不涉及，在假设检验的样本量估计中涉及。

3.容许误差δ，是指研究者要求的或客观实际存在的样本统计量与总体参数间或样本统计量间的差值，容许误差既可以用绝对误差来表示，也可用相对误差来表示，容许误差值越小，所需样本量越大。

4.总体标准差σ或总体率π，常根据预试验以及前人的研究结果或统计理论进行估计，σ愈大或π愈远离0.5，所需样本量越大。69样本含量计算作总体参数估计时的样本含量

总体均数估计时

总体率估计时假设检验时的样本含量

样本均数与总体均数比较(或配对比较)

两样本均数比较

两样本率比较确定样本含量统计学上的要求：第一类错误的概率α（检验水准）检验效能（1-β）：通常β=0.1或0.2，一般检验效能不低于0.75,一般取单侧总体标准差（σ）：常用预实验的样本标准差来估计所比较的两个总体参数间的差值δ：δ=μ1-μ2

，δ=π1-π2.若无法得到总体参数的信息，可以用预实验或专业上认为有意义的差值代替（2）查表样本例数的计算（1）公式计算总体均数估计时δ为估计的精度，是样本统计量与总体参数的差值，一般δ限制在10%左右。例身高均数为170，δ<17。根据专业定义δ的大小S为标准差（个体的变异），通过文献或预实验获得例3-8某单位拟用抽样调查了解该地区正常成人白细胞数的平均水平。希望误差不超过100个／mm3据文献所载，正常人白细胞数的标准差约为1000个／mm3,α=0.05，问需调查多少人?今α=0.05，u0.05=1.96，S=1000个／mm3δ=100个／mm3由式(1)即需调查385人。查表法：本例α=0.05，S／δ=1000／100=10查附表8得n=389人。总体率估计时其中P根据过去类似调查得到的样本率。如P不知时，可取P=0.5。例3-9拟调查某小学校学生蛔虫感染率，要求误差不超过3％，如取α=0．05，问需调查多少人?今α=0.05，u0.05=1.96，δ=0.03，P=0.5查表法：本例α=0.05，u0.05=1.96，δ=0.03，P=0.5查附表10得n=1067人。样本均数与总体均数比较(或配对比较)其中S为总体标准差的估计值；δ为研究者提出的差值；tα为t的α界值，根据是单侧检验还是双侧检验，分别取单侧界值或双侧界值；而tβ总是取单侧界值。例3-10用某药治疗矽肺患者，估计可增加矽的排出量，其标准差为2.5mg／dl，要求α=0.05，β=0.10的概率能鉴别尿矽排出量平均增加lmg／dl，需多少病人。应取单侧检验，α=0.05，β=0.10，先以自由度为∞，uα=1.645，uβ=1.282,取54自由度=53tα=1.674(单侧)tβ=1.298(单侧)取55查表法：本例α=0.05，β=0.10，单侧检验，δ／S=1／2.5=0.4,查附表12得