科研设计课件科研设计 复印

实验设计第一节概论㈠科研课题的选择科研设计专业设计统计设计1.专业设计:a.明确而且具体的目标b.建立合理的假说及其依据c.为达到目标提出的技术线路d.完成目标必须的人，财，物均和信息资源２.统计设计:围绕专业设计确立a.统计设计的类型b.样本的大小c.分组方法d.统计分析指标及方法㈡科研选题应具备A.科学性：a.实验对象的选择b.观察指标的选择c.数据收集，整理与正确的统计分析b.必要性：a.社会需要解决的问题b.工作中遇到的问题c.先进性创新是科研的灵魂科研成果的评定一等：世界首创或先进二等：达到或接近世界水平三等：国内领先或首创D.可行性a.技术上可行：学识，技术力量，设备条件b.时间上可行c.财力上可行：试剂，动物第二节实验设计的三大要素一.实验设计的定义(略)二.实验设计的三大要素1.受试对象指实验的承受者基础医学临床医学预防医学2.处理因素研究因素应注意处理因素与非处理因素的区别处理因素的标准化处理因素与混杂因素的关系实验效应：观测指标a.指标客观性b.指标特异性c.指标关联性d.指标灵敏性e.指标精确性f.指标稳定性实验设计的基本原理第三节.TeFisher认为：在标准状态下，引进或改变处理因素所产生实验效应的变化由于标准状态是不存在的．总是伴随有非处理因素所产生的实验效应．即：T+&e+s实验设计的主要任务：排除非处理因素的干扰效应显示T作用T+&o+&se+s第四节．实验设计的基本原则１.对照原则：即设立对照组目的：使处理因素与非处理因素的差异有科学的对比*处理因素的效应大小，重要性的不是其本身，而是通过对比所得的结论才有意义举例：对照的形式：A.空白对照：对照组不施加任何处理因素如：实验组：接种疫苗对照组：不接种疫苗B.安慰剂对照C.实验对照：对照组施加部分实验因素，但不是所研究的处理因素．如：对照组：普通面包实验组：赖氨酸面包D．标准对照E．相互对照：几种处理（水平）互为对照F.自身对照：对照与实验在同一受讨对象进行G．历史对照：如病例对照研究２．均衡原则均衡形式：A.交叉均衡B.分层均衡例：某药预防肠道传染病的效果观察甲幼儿园１００儿童服药后发病率下降乙幼儿园１００儿童不服药发病率上升结论：该药有预防效果正确的是：甲幼儿园５０名儿童给药５０名儿童不给药乙幼儿园５０名儿童给药５０名儿童不给药分别求出给药与不给药儿童的发病率，再比较例２：四种处理后，受试者皮肤温度恢复的冷水实验

实验日期受访者数

处理第一天８

A第二天８

B第三天８

C第四天８

D把室温这个非处理因素分层，见下表实验日期

处理

A

B

C

D第一天２２２２第二天２２２２第三天２２２２第四天２２２２分别求出四种处理的实验效应再比较３.随机原则指每个受试对象都有平等的机会被抽到样本中来；每个受试对象有平等的机会被抽到实验组或对照组．４.重复原则：指实验结果的重现性．往往靠样本含量来实现的.计量资料：一般为８～１２倍于研究因素计数资料：一般为计量资料的５倍公式计算详见PASS(powerandsamplesize)练习题：１.医大一教授，长期从事蛇毒研究．于１９８７年在医大一院、二院、瑞金医院给100名脑血栓患者服用了蛇毒，一月后，86%患者症状有了不同程度的改善。因此，该教授认为蛇毒对治疗脑血栓有显著疗效,建议科研处尽快组织专家予以认定请问：从实验设计方面考虑一下该实验研究有无缺陷、应如何改正？2.有人设计某杀虫剂对粮食污染的动物实验，观察污染因素对某些指标的影响。效应指标是动物体重(1)组.污染米作饲料(2)组.污染米带糠皮作饲料(3)组.非污染米作饲料问:此设计有何缺陷?应如何改进?3.欲比较A、B两种方法治疗胃溃疡,考虑到性别、溃疡面（大、中、小）是混杂因素,应如何进行分组？注意：分层溃疡面男女大中小大中小

B

B

A

A

B

B

A

B

B

B

A

A

A

A

B

A

A

B

B

A

A

B

B

A

A

A

B

A

B

B

B

B

A

B

B

A

A

B

B

B

A

B

B

A

A

A

A

A按性别和溃疡面分层后，每层内患者用分段随机化方法分配处理安眠药安慰剂前后差值前后差值３.５４.７１.２２.４３.８１.４３.２５.６２.４３.７４.５０.８４.３５.６１.３４.３４.９０.６４.５４.５０.０４.６４.８０.２２.５３.５１.０２.８５.１２.３３.８５.６１.８３.２４.５１.３４.０４.８０.８４.０５.２１.２２.２６.８４.６４.７４.５-０.２３.９５.３１.４３.３４.１０.８４.７６.０１.３３.９６.０２.１合计１５.８１０.５４．为研究某药的催眠作用，应如何进行实验设计及资料分析失眠患者服药后的睡眠时间（小时）注：安眠药服用前后相比,差别显著（p＜０.０１）安慰剂服用前后相比,差别也显著（p＜０.０１）难以说明究竟是安眠药还是心理因素影响了睡眠时间，因此需设立平行对照两组差数d的方差分析表方差来源df

ss

MS

F

P药物间误差1181.4019.111.401.061.33>0.05合计19故服安眠药与服安慰剂相比,睡眠增加时间未见有显著差别5.50年代用肾上腺素治疗婴儿眼晶状体后纤维增生证,治愈率为75%.治疗前后比较差别非常显著.但后来证实此病与高氧环境有关.不作治疗.也可康复问:应如何进行实验设计才具可比性？6.举例说明6种对照形式第五节常用的实验设计方法一.单组比较设计:自身对照设计即实验与对照是同一个体上进行

1.对每个观察单位进行两次观察,第一次观察不给处理,第二次观察给予处理.如:观察30名高血压患者,测量血压平均值x,给心得安再过几天后再测量血压平均值x__2.第一次给予A处理.x

第二次给予B处理.x注意:”携带效应””carryup””洗脱期””washout”如:3.交叉设计:将受试对象随机分为两组第一组给予A处理经过洗脱后第二组给予B处理经过洗脱后第一组给予B处理第二组给予A处理分别把A处理的效应.与B处理的效应求出来进行比较※克服了随机性差的缺点4.单组比较的优缺点A优点:节省样本容,易控制条件,实验效率高B缺点:除交叉设计外,随机性差,急性病不能用.注意携带效应与洗脱期二.组间比较设计是两组或多组间进行比较的设计方法设计要求:实验组与对照组样本数尽量相等

条件均衡A.优点:对比说明,设计简单,应用广泛.B.缺点:处理因素单一,灵敏度低.举例:三.配对设计把实验对象按照一对一配成对子,随机将其中之一分到实验组.另一个分到对照组.配对{自身配对异体配对{接受处理前为对照接受处理后为实验●同一观察对象的不同指标也是自身配对如:血糖与尿糖,血硒与发硒,分析两种测得值之间的相关性※配对实验的特点是以对子为观察单位;

一旦对子中一方脱离观察,应立即从样本中除去该对子配对设计的优点:a.实验效率高,节省样本

b.均衡性好,减少抽样误差缺点:a.观察对象要经过挑选,易损失样本含量

b.延长实验时间,对子间的条件易发生变化配对设计适用条件:a.保证实验个体与对照个体没有相互干扰.

如:家兔双眼配对研究散瞳药.b.自身配对试验适用于短期对比或急性实验

c.对人进行异体配对,所控制的条件不可能是很严格的.一般只能根据2-3个因素配对.因此,每对的配对条件尽限2-3项,若对比其它因素时,还需要重新进行配对.如:肝Ca临床治疗研究.可将病人按年龄,瘤大小,病程分三个层次.A---40岁以上a---40岁以下B---大瘤b---小瘤C---半年以上c---半年以下可组成8个对子.对子号12345678ABCABcAbCAbcaBCabCaBcabc分层配伍组设计(随机区组设计)

是配对设计的扩展,先按影响实验结果的非处理因素将受试对象配伍(区组),再分别将各配伍组内的受试对象随机分配到各处理或对照组,配伍组内受试对象个数与处理水平数相等.例1:欲比较三种抗癌药物对小白鼠肉瘤抑瘤效果,如何进行实验设计?(考虑配伍因素)配伍A药B药C药合计123450.820.650.511.980.730.540.231.500.430.340.281.050.410.210.310.930.680.430.241.35合计3.072.171.576.81X0.6140.4340.3140.45_方差分析表变异来源自由度SSMSFP总变异

14

0.53处理间20.230.1111.88<0.01配伍间40.230.065.95<0.05误差80.080.01例2.欲研究酵解作用对血糖浓度的影响,应如何进行实验设计?放置不同时间血液所含血糖浓度(mg%)12345678受试者编号放置时间04590135

________

________

________

________

________

________

________

________例3.某市为对比6台肺功能仪的性能,应如何设计?提示:选择一些健康人测试肺活量随机数表的应用一、配对设计：如：现有10对高血压二期患者，问：如何保证随机原则？首先，把10对患者编成号，1、2……10，然后，查随机数字表或随机排列表，任意行或列，凡随机数字为双数者，该对子中第一个受试对象分入甲组，而同对子中的另一对象则分入乙组，反之亦然，查随机数表第16行开始：

配对号：1、2、3、4、5、6、7、8、9、10

随机数字：88565327593335726747第一个对象：甲甲乙乙乙乙乙甲乙乙第二个对象：乙乙甲甲甲甲甲乙甲甲二、配伍设计：将病期、病程、年龄等相近似的高血压患者20人分别配成5个配伍组，问如何保证随机原则？第一伍受试对象编号：1、2、3、4

查随机数表随机数：88565327

丁丙乙甲规定：按随机数字大小分入甲、乙、丙、丁四种处理。第二、三、四、五伍可按此法进行随机。三、组间设计：（1）两组间设计：例：将20名高血压患者随机分为两组，如何保证随机原则？方法：将20名高血压患者编号：1、2、3、4、5、6、7、……20，查随机数表任意行或列，规定单数分入甲组，双数乙组，88565327593335……90

乙乙甲甲甲甲甲……乙最后有9个分入乙组，11个分入甲组；为了等分两组，可先将随机数字排序，排20个，规定前10个随机数字相对应的将受试对象分入甲组，后10个分入乙组。（2）多组间设计：例：将24人分为三组，如何保证随机原则？将24人编号：1、2、3……24，查随机数字表，列于其下：

88、56、53、27、59、33、35……70先把随机数字排序，规定前8个随机数字所对应的受试对象分入甲组，中间8个分入乙组，后8个分入丙组。均衡不完全配伍组设计是指处理组数多于配伍组所能容纳的个数。配伍组设计配伍组号处理因素1ABCD2BADC3CBAD4DCBA每伍4个受试对象，接受四个水平处理特点：1、每个处理因素出现的次数都相同；

2、任意两个因素出现的次数都相同。因此，该设计是均衡的。由于每个配伍组不能安排所有的处理，因此是不完全的。均衡不完全配伍组设计配伍组号处理因素1ABC2ABD3ACD4BCD拉丁方设计拉丁方是用r个拉丁字母为排成r行r列的方阵，且每行每列中每个字母都只出现一次，这样的方阵叫rxr拉丁方。拉丁方设计是利用拉丁方安排实验的设计，字母安排处理因素，行、列安排控制因素。它是配伍组设计的拓展，可同时研究三个因素。设计要求：（1）必须是三因素同水平数的试验；（2）设计时将拉丁字母安排处理因素行和列安排控制因素，并使行数、列数都相等（即水平数相同）；（3）任何两因素、三因素间均无交互作用。※交互作用：因素与因素间的相互作用称为交互作用。即因素不独立的（类似拮抗或协同作用），一个因素改变时，另一个或几个因素的效应也相应改变。一、拉丁方的基本型：ABC3×3拉丁方BCACAB4×4拉丁方ABCDBCDACDABDABC二、拉丁方是如何体现实验设计原则的？1、对照原则：各字母间体现各处理间相互对照各行、列的水平数间体现相互对照。2、随机原则对拉丁方基本型，可进行任意整行或整列的变换，体现了随机原则。如：ABCDBADACDABDABCBCDAABCDCDBADABCBDCAACBDCADBDBAC第1与2行交换第Ⅱ列与Ⅲ列

交换

3、均衡原则：每个字母在每一行每一列均出现一次，体现了均衡原则。

4、重复原则：每个格子可同时安排多个受试对象。三、拉丁方设计优缺点和和适用条件1、优点：实验效率高，误差小，均衡性好。2、缺点：不能研究因素间的交互作用，三个因素水平数要求相同，一般的试验不容易满足此条件，在临床上只能用于慢性疾病不同处理后短期疗效的比较。3、适用条件：A、三因素研究，且各因素水平数相等。

B、行间、列间、字母间均无交互作用。

C、各行、各列、字母间的方差齐。四、拉丁方设计的应用例１：应用蛇毒不同浓度、不同成份对不同瘤株的抑制作用研究。瘤株：小白鼠肉瘤180。小白鼠肝肉瘤小白鼠艾氏腹水瘤小白鼠网状细胞瘤浓度：0.00mg/Kg0.03mg/Kg0.05mg/Kg0.075mg/Kg成份(峰)：Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ每个因素都是4个水平，可选用4×4拉丁方通常可任取一个基本型，通过随机化得到某一拉丁方如何安排实验：动物造型：小白鼠根据所选拉丁方，确定字母为瘤株。行为浓度，列为成份。实验结果如下：蛇毒抑癌实验结果（瘤重）浓度峰合计ⅠⅡⅢⅣ0.00A0.80B0.74C0.31D0.482.330.03B0.50A0.36D0.18C0.201.240.05C0.38D0.44A0.17B0.421.410.07D0.22C0.25B0.36A0.281.11合计1.901.791.021.386.09瘤株合计A1.61B2.02C1.41D1.32

方差分析表变异来源ＳＳＶＭＳＦＰ总0.510315浓度间0.228730.007629.29﹤0.05峰间0.121730.04064.95﹤0.05瘤株间0.110630.03694.50﹥0.05误差0.049360.0082

例2、为了解4种强度的噪声刺激是否使动物体内消耗VC量有所不同，考虑到不同动物试验日期也会影响结果，应如何设计？(字母为噪声)

动物编号

1234实验日期1ABCD2BCDA3CDAB4DABC析因设计它是一种交叉分组设计，可以进行因素各水平间的比较，也可进行分析因素间的交互作用。※判断是否有交互作用：看各因素合在一起的效应是否与它单独效应之和是否相同。2×2析因设计即两因素、两水平的析因设计。2×2析因设计列联表abb1b2a1a1b1a1b2a2a2b1a2b2如：12例缺铁性贫血病人的疗效观察，分为4组，给予不同治疗，一个月后检查各组病人红细胞增加数（百万/mm³）第一组一般疗法第二组一般疗法+叶酸第三组一般疗法+铁剂第四组一般疗法+叶酸+铁剂设：叶酸为A因素，2水平，A1为不用，A2为用叶酸；铁剂为B因素，2水平，B1为不用，B2为用铁剂；共有4个交叉组：第一组：A1B1

第二组：A2B1

第三组：A1B2

第四组：A2B2每组观察三个病人，观察结果见下表：治疗缺铁性贫血四种疗法的红细胞增加数

Ａ1Ｂ1Ａ2Ｂ1Ａ1Ｂ2Ａ2Ｂ2合计0.81.30.92.10.91.21.12.20.71.11.02合计2.43.63.06.315.3均数0.81.21.02.1

从结果可看出：不用B药时：用A药可平均增加红细胞1.2-0.8=0.4用B药时：用A药可平均增加红细胞2.1-1.0=1.1可看出B因素在不同水平下，用A药和不用A药平均增加红细胞数是不同的，其相差为：1.1-0.4=0.7这就是两药的交互作用,即协同作用,析因设计的统计分析总变异:A+B+A×B+误差变异ss总∑x²-c=3.0425

C=(∑x)²=19.5075ＮA×B交互表A药B药合计B1B2A12.43.05.4A23.66.39.9合计6.09.315.3ssA=5.4²+9.9²－c=1.6875

ssB=6.0²+9.3²－c=0.9075

ssA×B

=〔（2.4+6.3）-（3.0+3.6）〕²

=0.3675１２６６VA=A的水平数-1VB=B的水平数-1VA×B=VA×VB方差分析表变异来源SSvMSFP总3.0425111.6875168.75A1.687510.907590.75﹤0.01B0.907510.367536.75﹤0.01A×B0.367510.01

﹤0.01误差0.088

结论：A、B两药均有效，且两药间具有协同作用。问题：欲比较不同缝合方法及缝合后时间对轴突通过率的影响，试做析因分析。A因素为缝合方法，有两水平

A1：外膜缝合

A2：束膜缝合B因素为缝合后时间，有两水平

B1：缝合后1个月

B2：缝合后2个月试验结果为：家免神经缝合后的轴突通过测量（计量资料）家兔神经缝合后的轴突通过率（%）A(缝合方法)B(缝合后时间)外膜缝合(a1)束膜缝合（a2）1月（b1）2月(b2)１月（b1）2月（b2）

10301050103020504070307050605060

10303030Xi244428522因素2水平析因试验的均数差别

A因素B因素平均b2-b1

b1b2

a124443420

a228524024平均

2648

22

a2-a1486

处理组均数比较的方差分析变异来源自由度ＳＳＭＳＦＰ总变异197420处理组间32620误差164800300

析因试验结果方差分析表变异来源自由度ＳＳＭＳＦＰ总变异197420（处理组间）﹙3﹚﹙2620﹚Ａ11801800.60﹥0.05Ｂ1242024208.07﹤0.05ＡＢ120200.07﹥0.05误差164800300

研究者将32名高脂血症患者,采取完全随机的方法分配到以上4种不同处理组中,每组８人(每组处理重复8次),治疗前及治疗一个月后测量各组患者的血清胆固醇(mg/dl),疗效指标为血清胆固醇下降值,结果见表。接受四种不同疗法患者血清胆固醇下降值（mg/dl）

第一组第二组第三组第四组

一般疗法甲药＋一般疗法乙药＋一般疗法甲药＋乙药＋一般疗法

920214611122852610173979234716221440171838121422465151233

xi8.2512.3820.2543.13X=21

2×2析因设计资料分析为便于分析因素的主效应及其交互作用,常将资料整理成表的形式.

2×2析因资料整理表

甲药平均A2-A1A1不用A2用乙药

B1不用8.2512.3810.324.13B2用20.2543.1331.6922.88平均14.2527.76——

B2-B1

1230.75——

(1)主效应某一因素水平变化所产生的效应变化称为主效应。甲药的主效应可看成用甲药的平均效应与不用甲药的平均效应之差。上表所示，用甲药平均效应（12.38+43.13）/2=27.76，不用甲药平均效应（8.25+20.25）/2=14.25，甲药主效应=27.76-14.25=13.51，用甲药比不用甲药患者平均下降13.51。同理，用乙药（20.25＋43.13）/２＝31.69，不用乙药（8.25+12.38）/2=10.32，乙药主效应=31.69-10.32=21.37，用乙药比不用乙药患者平均下降21.37。需检验甲、乙两药的主效应是否由于抽样误差造成的（见方差分析）。（2）交互作用由上表可知，不用乙药时（固定B因素在1水平），用甲药效果（A2）为12.38，不用甲药效果（A1）为8.25，两者之差为12.38-8.25=4.13，用乙药时（固定B因素在2水平），用甲药效果（A2）为43.13，不用甲药效果（A1）为20.25，两者之差为43.13-20.25=22.88，可见甲药的效果是随着乙药的不同水平而变化，用乙药使甲药的疗效增加。由上表可知乙药的效应也随着甲药的用与不用而有所改变，用甲药能使乙药的疗效增加。若这种影响超出随机变化的范围（需经过检验），可认为两药存在交互作用。正交试验一、正交试验定义正交试验是研究与处理多因素试验的一种科学方法。它是按照数理统计提供的一系列规格化的正交表来安排试验。由于正交表具有均衡搭配的特点，从而能够提供样本含量较少、代表行强的均衡设计，从中找到最优或较优的条件。二、正交表的表示形式正交表的表示形式是L试验次数（水平数因素数），L是正交表的代号。例如：L8（27），就表示7个因素，各取两个水平，共进行8次试验。三、正交表特点1、正交性：各水平在各列中出现的次数相同2、均衡分散性：任意两列各水平的搭配均衡3、齐同可比性：在对比某列因素的各水平效果差异时，由于其他列因素的各水平出现的次数都是相同的，从而最大限度地排除了其它因素的干扰，使对比条件具备齐同可比性。三、正交表特点4、可分析因素间的交互作用L8（27）正交表列号试验号12345671111111121112222312211224122221152121212621221217221122182212112四、正交表的选择1、选择因素：尽量包括全部有关因素2、确定水平数：主要因素水平数多些3、确定试验次数：尽力而为：试验次数多比次数少的样本代表性强。4、重复：将正交表的每个试验号重复n次目的是减少试验误差。五、统计分析方法1、直观法：把评价指标最好的试验号配方定为最优方案。2、报差法：以各因素各水平报差值的绝对值从大到小排序，即可获得各因素的主次顺序，再选各因素的最大值的平均值作为最优水平。3、方差分析法六、实例（1）试验目的：确定某抗放射病有效药物的较优给药条件，以大鼠的存活天数作为评价指标。（2）选正交表：研究者提出制剂（A）、剂量（B）、途径（C）、时间（D）4个考察因素，各有两个水平，并考虑A×B、A×C及B×C3对交互作用，选定L8（27）正交表，即通过8次试验考察4因素3个交互作用、各自两水平。抗放射线药实验考察的因素与水平考察因素水平（1）（2）制剂，A水剂醇剂剂量（mg），B510途径，C肌肉注射口服时间，D照前30分钟照前10分钟

（3）结果分析：

①直观法：从抗放射病药实验方案及实验结果可见存活30天为最大值，确定第7号动物的给药条件最优，即A2B2C1D1是最优配方。②按抗放射病药实验方案及实验结果中R值的绝对值自大至小排列，A﹥C﹥D﹥A×B﹥B﹥B×CA×C

从而得到各因素的主次顺序。对比各因素k1与K2，以大值定为最优水平，得到A2C1D2B2为最优条件，它不包括在1～8号动物方案内。

抗放射病药实验方案及实验结果动物因素及水平实验结果号制剂，剂量，A×B途径，CA×CB×C时间，D（存活天数）

A1B234567水（1）5（1）1肌（1）1130分（1）17.52水（1）5（1）1口（2）2210分（2）16.53水（1）10（2）2肌（1）1210分（2）19.54水（1）10（2）2口（2）2130分（1）14.05醇（2）5（1）2肌（1）2110分（2）29.56醇（2）5（1）2口（2）1230分（1）20.57醇（2）10（2）1肌（1）2230分（1）30.08醇（2）10（2）1口（2）1110分（2）26.0K167.584.090.096.583.587.082.0计173.5K2106.089.583.577.090.086.591.5R38.55.5－6.5－19.56.5－0.59.5方差分析表方差来源离均差平方和自由度均方F值总258.477制剂间（A）185.281185.2851.47＊＊途径间（B）47.53147.5313.22＊时间间（C）