第2章 实验设计

第2章实验设计主要内容第一节实验研究的三要素第二节误差知识第三节实验设计的基本原则第四节常用实验设计方法一、完全随机设计二、配对设计一、医药研究的类型医药研究从不同的角度有不同的分类：按研究目的可分为验证性研究与探索性研究；按研究指标的多少可分为单因素研究与多因素研究；按对观察对象是否施加干预，可以分为实验研究与调查研究；一、医药研究的类型实验研究（experimentalresearch）包括以病人为基础的临床试验（见第十三章）和以动物或其他实验材料为基础的实验室实验。特点：①研究者可以主动对实验对象设置处理因素。②受试对象接受何种处理因素或水平是经随机分配而定的，可以较好控制处理因素。③实验设计能使多种实验因素包括在较少次数的实验中，更有效地控制误差。调查研究（surveyresearch）又称观察性研究（observationalstudy），是不对观察对象施加处理因素，客观地调查接触不同因素人群的结果事件发生状况的一大类研究的统称。见第十四章、第十五章。二、医药实验研究的三要素医药实验包括：被试因素、受试对象和实验效应，称为“三要素”。被试因素：对实验指标产生影响的各种原因。如复方、治疗方案。受试对象：处理因素作用的客体。如人、动物、细胞。实验效应：处理因素作用于受试对象后所表现出来的效果。如治愈、好转等。1.被试因素（treatmentfactor）又称处理因素（studyfactor）、试验因素。实验研究中，对实验指标产生影响的各种原因，都称为因素（factor），因素变化的各种状态称为水平（level）。如：从外部施加的干预因素，如诊断方法、治疗的药物、手术等；也可以是客观存在的，如与受试对象本身相关的特征如性别、年龄、职业等内因，季节等外因。如研究某种疫苗对某病的预防保健作用，用胃炎冲剂治疗慢性胃炎等，这里的疫苗、胃炎冲剂均为被试因素，如研究吸烟与肺癌是否有联系，作为危险因素的烟草与吸烟的历史、数量都是被试因素。调查性研究，虽然未加处理因素，实际上仍有处理因素存在，这种处理因素称固有因素。例如冠心病的流行病学调查，饮食习惯就是一个固有因素。被试因素在整个试验中应保持一致和稳定。被试因素一经确立，其性质、剂量、批号、剂型与用药途径，都应标准化和明确规定，手术者操作熟练程度等也应一致。否则将影响试验结果的准确性。被试因素数目与水平组合基本类型①单因素单水平：如夏枯草提取物对原发性高血压患者降压作用的观察等。②单因素多水平：如比较不同强度针刺某穴位对痹证治疗效果；比较不同剂量的某药对某病的疗效。③多因素单水平：如同一复方中不同单味中药，或同一单味中药中不同有效成分的疗效观察。④多因素多水平：如研究六味地黄丸诸成分和不同剂量对降低胰腺切除后血糖的影响。被试因素的数目与水平须科学选定。混杂因素（confoundingfactor）与“被试因素”同时出现，也能使受试对象产生效应但是非主要的因素属于“非处理因素”或称“区组因素”。非处理因素虽然不是研究因素，但由于其中有些会影响实验结果，产生混杂效应，所以非处理因素又称混杂因素，因为它会干扰实验结果，又称干扰因素。例如，分析不同疗法对治愈某病所需时间是否不同，当两组病人的年龄构成或病程不同时，则影响不同疗法对治愈某病所需时间比较的可比性。所以，在确定被试因素的同时，还要根据专业知识和实验条件，找出重要的非处理因素，有意识地控制或消除其干扰作用。2.受试对象（subject）受试对象是处理因素作用的客体。受试对象的种类有活体动物、标本或样品、病人或正常人。受试对象的基本条件是：①敏感性：对被试因素敏感，容易显示效应。②特异性：不易受非处理因素干扰。③稳定性：反应稳定。临床试验病例的症状、体征、客观检查要具有典型性与代表性。采用客观、定量、统一的诊断标准。3.实验效应（experimentaleffect）实验效应是指处理因素作用于受试对象后所表现出来的效果。这种结果常以观察指标为载体客观地表现出来，有定量指标和定性指标。选择效应指标要求（6个）：（1）关联性：指标必须和临床试验所要回答的问题密切相关。（2）客观性：选用客观性较强的指标。（3）敏感度与特异度（4）准确度与精密度，准确度（accuracy）又称效度（validity），指测定值与真值接近的程度，主要受系统误差影响。精密度（precision）又称信度（reliability），指各次测定值集中的程度，主要受随机因素的影响。准确度是最根本的。理想的指标是既准确又精密。（5）标准统一，严格掌握指标测试条件，避免干扰因素的影响：实验设计具体实施中，从标本采集取样方法、部位、时间、实验方法均应统一，如统一方法，统一试剂，统一实验条件及设备、时间、人员。（6）从实际出发，尽量采用先进指标。对于不便用一个指标全面评价的实验效应，可以将其分解为一系列子问题，每个子问题用一个指标就实验对象的某一个方面进行评价，然后综合成一个复合指标（compositevariable）。例如，量表（ratingscale）评价的最终目的只有一项指标,就是一种复合指标。三、中医药研究三要素的特点1.被试因素——理（理论）、法（方法与原则）、方（方剂）、药（中药与草药）

（1）中医学研究中的被试因素需要具体化与物质化：中医学是以阴阳、五行、四诊、八纲、脏腑、经络、气血、津液学说为基础的临床医学，中医学研究的被试因素，需将抽象思维具体客观化。例如，将气虚本质的研究列为被试因素，题目过大，不够具体，难以抓住要害。如改为“脾气虚与血中胃泌素、促胰液素和胆囊收缩素关系的研究”或“心气虚与心脏收缩和舒张压关系的探讨”等小题，则对气虚本质最后阐明可能更为有利。（2）中药研究：中医的效果很多体现在中药疗效上，以中药作为被试因素，要注意：①品种：中药品种繁多，同名异物与同物异名较为普遍，在科研开始之前，须先进行中药品种鉴定，包括原植（动）物鉴定、显微鉴定与药效的理化鉴定。②药源产地：中药强调“道地药材”。例如，湖北恩施厚朴的厚朴酚含量较陕西紫阳厚朴高出4倍。秦皮鲍甲索与乙素含量陕西与华北的较高，而新疆的秦皮仅见痕量。③入药部位：如秦皮中甲素与乙素的含量，枝皮比树干皮高；钩藤的钩中总生物碱含量和降压作用都比茎高，嫩枝又比老枝降压作用强。④采集季节：采药季节不同，中药的有效成分含量不同，应当用最适季节采集的。⑤贮存条件：同一中药，保存方法与条件不同，其药效可能相差悬殊。科研用的中药应当是保存良好的一级正品，实验所需药味与数量要一次备足，以确保实验的可比性。⑥加工炮制方法：中药含有的多种成分中，有些是水溶性的，有些是醇溶性的，有些是脂溶性的，有些是挥发性的，不同炮制方法所得的有效成分含量不一致。如以延胡索生品中总生物碱为100%，其酒制品中含量只有22.6%，生品水煎液中含量为25.1%，醋制品为49.3%。此外，有些中药在煎煮时，需要以煮沸为度（如大黄、番泻叶），有些需要冲服（如鸡内金、玄明粉），有些要武火煎煮（如理气药），有些要文火熬（如补养药），有些还需加料制作（如盐炒、姜渍）。这些特殊要求也是必须考虑的。⑦给药途径与服法：中药制成品的组成和有效成分的含量大多不等于生品，不同途径给药作用机制可能不完全相同。2.受试对象病例选择：①既有中医病证诊断，又有现代医学的诊断。②证是典型的，型是清楚的，无夹杂症，应为辨证施治提供规范的依据。3.反应指标中医的望、闻、问、切常靠患者的回答和医生的主观判断，如舌质、脉象等，由于易受感官误差的影响，波动比较大。中医研究选择反应指标须兼顾中医理论和现代科学。例如，研究厚朴理中汤，其主证为脾胃虚寒所致的院腹胀满，还应考虑从胃肠道运动、消化液分泌、物质吸收、血液循环、胃肠道激素、肝功能、转氨酶以及从自主神经系统功能等方面选择指标，并尽量使“虚、寒、胀、满”的量度更加确切。主要内容第一节实验研究的三要素第二节误差知识第三节实验设计的基本原则第四节常用实验设计方法一、完全随机设计二、配对设计一、误差的分类试验所得到的观测值，常出现观测值与真值的差异，这种差异称为试验误差（error）。误差公理认为：试验结果都具有误差，误差自始至终存在于一切科学试验的过程之中。误差的分类有多种，根据引起误差的原因和性质不同，可以分为随机误差、系统误差和过失误差三类1.随机误差（randomerror）随机误差又称偶然误差（accidentalerror），是很多影响较小而又难以完全消除的因素综合影响的结果，其误差值较小。随机误差包括抽样误差和随机测量误差：（1）抽样误差：抽样误差是最重要的随机误差，是不可消除的，只能通过完善试验设计，减少抽样误差（2）随机测量误差：同一个体多次观测的结果有差异，这种差异称为随机测量误差。随机测量误差也是不可避免的，但改善测量手段和测量条件，可以将随机测量误差控制在很小的范围内。随机测量误差与抽样误差具有共同的性质：①方向是双向的，可正可负；②不可避免。随机误差可以用统计方法进行分析和判断。科研统计的许多内容就是用概率论和数理统计的理论，透过随机误差，推论抽样研究结果的可靠性和科学价值。随机误差（主要指抽样误差）的思想贯穿科研统计的始终。2.系统误差系统误差（systematicerror）是由某种固定原因所造成的误差，使测定结果或统一偏高或统一偏低。当重复进行测量时，它会重复出现，具有规律性，大小正负是可以测定的，而且可以校正，故又称可测误差。偏倚（bias）：在临床试验中，由于非试验因素干扰所形成的系统误差歪曲了被试因素真实效果，常称为偏倚（bias）。产生系统误差的原因主要有：①方法误差：例如，在重量分析中，由于沉淀的溶解或共沉淀；在滴定分析中，反应进行不完全，等当点和滴定终点不符合等。②仪器和试剂误差：仪器误差常见有砝码重量不准，容器与量具的刻度不准等。试剂误差来源于试剂不纯，有些试剂和蒸馏水中含有被测物质或干扰物质。③条件误差：常见于实验条件（如室温、湿度、pH等）控制不好。被试因素未加标准化与固定化也是常见的原因之一。例如中药产地对实验结果的影响。产生系统误差的原因主要有：④顺序误差：例如，针刺治疗甲、乙、丙三组不同证型的病人，每次针刺总是按甲、乙、丙顺序，操作手法总是由重到轻，最终结果各组间差异就很难区分是因证型不同，还是手法轻重所致。⑤分配误差：例如，某医师用鱼腥草制剂治疗小儿肺炎，用西药作对照，将确诊肺炎的病人分为两组，鱼腥草组的轻病人明显多于西药组的。若观察结果鱼腥草组疗效较好，这时很难分辨是疗效本身还是由于分配不均衡所致。⑥主观误差：例如，在临床研究中，医师问话的语气或暗示，都会引起病人的反应，就是主观误差的表现。系统误差可归纳为两个重要特性：①单向性：这种误差可重复测定，偏差的方向一致（偏高或偏低），并且这种误差常呈恒差或等比形式出现。②可消除性：只要找出原因，通过合理设计或控制原因，系统误差可以基本消除或减至最低程度。3.过失误差过失误差（mistakeerror）是指工作中差错所造成的误差，由于工作粗枝大叶，不按操作规程所造成。例如，中药配方时，不严格按规定剂量给药，对矿石类中药不打碎先煎，影响药效。另外，实验操作不正确，记录不完整，计算错误等都属于过失误差。过失误差的特性是：①异常性：即试验结果远离均值或出现反常变化。②可避免性：只要严格遵循规章制度，加强工作责任心，这类错误完全可以避免，也应该避免。总结随机误差影响试验的精确性，系统误差和过失误差影响试验的准确性，为了提高试验的准确性与精确性，即提高试验的正确性，必须避免系统误差和过失误差，降低随机误差。二、误差传递法则观测值xi与真值x之间偏差的绝对值，称为观测值xi的绝对误差，记为｜△xi｜，｜△xi｜＝｜x-xi｜。绝对误差与观测值比值的绝对值｜△xi/xi｜称为相对误差。由于真值x是未知的，所以，绝对误差｜△xi｜和相对误差｜△xi/xi｜都是不知道准确值的，我们只能估计它们不超过某个界限值，这种数量界值称为最大绝对误差和最大相对误差。如具有四位有效数字的观测值1.234g,只允许末位数有0.5个单位（±0.5）的误差，其最大绝对误差等于0.0005g，最大相对误差等于｜0.0005／1.234｜＝0.0405％。误差传递法则由于原始测量值总是存在误差的，所以运算的结果值也必然存在误差，这种特点称为“误差传递”。误差传递法则主要有以下几点：（1）加减运算时，取实测值中小数位数最小的位数。例如：5.4321＋543.21（kg）得548.6421（kg），应写为548.65（kg），最大绝对误差为0.005kg。（2）乘除运算时，取实测值中有效数字最小的位数。例如,20g小鼠用药100.0mg,其剂量是5000mg/kg，应写为5.0g/kg。最大绝对误差为0.05g/kg。医药中有些数值是由多种实测值计算的，例如动物用药剂量的计算，就受到药物称重、药液取量、注射容量、动物体重这四个实测值的影响：【例2-1】药物称重600.0mg，药液取量50.00mL，注射容量0.86mL，动物体重0.0234kg，按误差传递规律计算用药剂量：用药剂量＝（600.0/50.00）×（0.86/0.0234）＝4.4×10^2（mg/kg）＝0.44（g/kg）这里4.4×10^2mg/kg是采用科学记数法表示保留2位有效数字，而不能写为440mg/kg（表示保留3位有效数字）。科学记数法指用a×10的n次幂的形式表示数字。将一个数字表示成（a×10的n次幂的形式），其中1≤|a|<10，n表示整数。实验中要尽量使用科学计数法表示数据。如测量结果为100.2m，可记为0.1002km,最大绝对误差＝0.05m＝0.00005km;但100.2m若写为10020cm和100200mm,则改变了有效数字的位数，即改变了测量结果的精确度，最大绝对误差0.05m

≠

0.5cm≠0.5mm。采用科学计数法表示为1.002×10^5cm和1.002×10^6mm就不会产生这个问题了。（3）对数运算时，对数尾数的有效数字与实测值相同。如；1g125＝2.09691，应写为2.097（尾数有3位有效数字）。（4）均数及标准差，标准差一般取2位或3位有效数字，均数按标准差的小数位数取值。如2.1755±0.1552应取2.18±0.16（kg）。常数（如π，e）及分类变量值（如有效例数，实验次数）的误差为0，有效数字位数可任意选取。主要内容第一节实验研究的三要素第二节误差知识第三节实验设计的基本原则第四节常用实验设计方法一、完全随机设计二、配对设计第三节实验设计的基本原则实验设计（experimentaldesign）是依据研究目的，按统计学要求而制定的研究计划的具体实施方案，包括所进行研究的三要素，估计样本含量、确定随机分配、统计分析方法等所要采取的技术路线和方法，使能用最经济的人、物、财及时间进行研究，最大限度地减少误差，保证研究结果的可靠性与可重复性。实验设计必须遵守三个基本原则，即对照原则、随机化分组原则、重复原则。一、对照原则尽可能将非被试因素所产生的影响分离出来，充分显示被试因素的效应。为此设立与实验组具有同质可比性的对照组，对照组与实验组除被试因素不同外，其他非被试因素尽量相同或相近，主要非处理因素均衡可比。2.常用对照方法（1）空白对照：即对照组不施加任何试验措施。如观察某疫苗对预防某种传染病的效果，试验组儿童接种该疫苗，对照组儿童不接种．也不做其他处理。临床试验中，病人利益第一，一般不设空白对照，只对某些病情较轻或长期稳定无任何危险的疾病，如HBsAg携带者、近视、感冒、慢性气管炎等可设空白对照。（2）标准对照：不设对照组，而是用标准值或正常值对照。试验研究一般不用标准对照，因为试验条件不一致，常常影响对比的结果。（3）自身对照：对照与实验在同一受试对象进行。详见p22自身对照设计。（4）异体配对对照：即选择条件相同的两个研究对象配成一对，给每个对子施加不同的处理因素，对比两者之间的不同效应。2.常用对照方法（5）相互对照：是几个试验组之间相互对照，常用于几种药物治疗同一疾病，对比几种药物的效果。如比较几种降压药的疗效优劣。（6）实验对照：对照组施加部分处理因素，但不是所研究的因素。（7）安慰剂对照：是用双盲法，采用剂型、外观、重量、气味和口味等都与实验药尽可能一致，对人体无害又不含有研究药物的有效成分的伪药物（如乳糖片、生理盐水注射液）作对照，目的是克服研究者、受试者和参与评价人员等由于心理因素等影响而形成的偏倚。同时安慰剂（placebo）对照也可分离出由于研究药物所引起的真正的不良反应。安慰剂对照常常是双盲研究，可以是平行对照，或者是交叉对照。（8）阳性药物对照：是指在临床研究中采用已知的有效药物作为研究药的对照。阳性对照药物必须是合法、公认有效的。另外对所研究的适应证最为有效安全的药物。应尽可能采用随机双盲研究，常是双盲双模拟，设计方案可以是平行对照也可以是交叉对照。2.常用对照方法（9）剂量-反应对照：将研究药物设计成几个剂量，受试者随机地分入其中一个剂量组中。剂量-反应对照主要用于研究剂量和疗效或不良反应的关系，或者仅用于说明疗效，而且有助于回答给药方案中采用的剂量是否合适。（10）潜在对照：对急性粒细胞白血病、恶性肿瘤、再障性贫血、真实聋哑等过去从未治好的疾病，作试验治疗时可不设对照，因为以往100%治不好，本身就是一个潜在对照。（11）历史对照：即用以往的历史材料作为对照。历史对照要特别注意比较资料的可比性，是不是各个方面情况和条件都一致，一般只限于那些对病人生命安全影响较大的临床研究，如预后严重的恶性肿瘤、白血病等的治疗研究等。动物试验不用历史对照。总结临床研究中的对照组常用剂量对照和阳性药物对照。一个临床研究不一定只有一个对照组，可以根据实际情况设立多个对照组，如在一个阳性药物的临床研究中，增加一个安慰剂对照组，就形成同时使用安慰剂和阳性药物对照组的研究。常称为三手研究（three-armstudy）。又如在安慰剂对照研究中，根据医学伦理学要求，有时需对每个受试者在给予一种标准治疗药物的同时，试验组给予研究药物，对照组给予安慰剂，这种研究称为标准治疗加安慰剂的研究（placebo-standardstudy）。二、随机原则1.随机的意义随机（randomization）是指每个受试对象都有同等机会被抽取或分配。随机化的内容包括随机抽样、随机分组和随机安排实验顺序3个方面，都是排除非试验因素干扰，防止选择性偏倚，保证组间均衡性，齐同可比的重要手段，是使用统计学方法分析的基础。2.随机分组的方法随机数字表法或随机排列表法，可以从任意行任意列开始，取出数字进行随机化分组，如果发现相差悬殊，可仍用随机的方法进行调整，使两组例数相等（见例2-2）。抽签法用于随机分组简单易行，但不适用于观察例数较多的样本。统计软件的应用，进行随机化分组更为方便。三、重复原则重复（replication）原则有重复数和重现性两方面的含义：重复数包括适当的样本含量和重复测量，用于估计和降低实验误差。重现性是指可靠的实验结果，应能在相同的条件下重复出来。主要内容第一节实验研究的三要素第二节误差知识第三节实验设计的基本原则第四节常用实验设计方法一、完全随机设计二、配对设计一、完全随机设计（completelyrandomdesign）1.完全随机设计的概念和方法又称成组设计，是一种单因素k（k≥2）水平单效应变量的设计方法。有两种分组方式：①将受试对象随机分配到各处理组中；②分别从不同总体中进行随机抽样。要求：①组间均衡可比。可能条件下，先按非被试影响因素分层，而后在分层基础上随机分配样本。②尽量使每组间样本数相等或接近。完全随机设计各组样本含量可以不等，但在样本总量不变的条件下，n1＝n2时检验效率较高，一般认为可高达10%～15%。【例2-2】将10个实验对象随机分配到甲（实验）和乙（对照）两组：先将实验对象编号之后，可采用掷硬币法或随机数字表（附表16）或随机排列表或统计软件进行随机分组。步骤①决定开始数。可以任取开始数，也可以在表中任指一数为提示数，设为56,则本书随机数字表（附表16）第5行第6列的38被定为开始数。②决定顺序方向。可以由上下、左右、右左或对角线等任意方式依次取数字。本例从第5行第6列起，由左向右抄录数字，用奇数为甲组，偶数为乙组。③调整。如果各组例数不等，应从例数多的组中随机取出几例，调到例数少的组中。哪个对象应被调整，也由随机数字表决定。通常从最后一个随机数起（本例为90），任选一种方向取随机数，除以调出组的例数，所得余数（如余数为0，就用下一个数除）即为应调出对象的顺序数。【spss】操作【例2-3】将18只同品种、同性别、体重相近的小鼠随机等分成甲、乙、丙三组。按体重大小将18只小鼠依次编号，如从随机数字表第33行第1个数68开始，向右依次抄18个数，填入18只小鼠编号，如表2-4所示。1）分组。以3（因为要分成三组）除各随机数字，若余数为1，即将该小鼠归甲组；结果归入甲组者4只，乙组者5只，丙组者9只。2）调整。各组例数不等，应将丙组多的3只调整1只给乙组、2只给甲组。仍然采用随机方法，例如从刚才的最后一个随机数字82向下抄三数字16、78、78，然后分别以9（丙组原分配9只）、8、7除之，得三个余数分别为7、6、1，则将原分配在丙组的9只小鼠中第7只小鼠即12号小鼠改为乙组；把丙组中余下的8只小鼠中的第6只小鼠即9号小鼠改为甲组，又把丙组中余下7只小鼠中的第1只小鼠即3号小鼠改为甲组。【spss】操作2.随机同期对照设计临床试验中，将n个合格的愿意加入试验的受试对象随机分配到对照组与试验组，使具有可比性。然后，试验组给予新措施，对照组给予标准对照或安慰剂，同步观察两组结局的差别即随机同期对照实验（RCT）基本要求：分层随机、同步、盲法。在常用疗效研究方法中，RCT是目前公认的标准研究方法，其论证强度比较高，重复性好，偏性较少。主要内容第一节实验研究的三要素第二节误差知识第三节实验设计的基本原则第四节常用实验设计方法一、完全随机设计二、配对设计二、配对设计

配对设计（paire