科研课程常用设计方法

科研课程常用设计方法第1页，共58页，2023年，2月20日，星期一第一节配对设计一.概念条件相同（或相似）的受试对象配对，将每个对子中不同个体进行随机分组，对不同的个体进行不同的处理后，分析两种不同处理之间的差别。或将同一批受试对象在接受某种处理时分为两个不同的阶段，比较处理因素作用后两个阶段的差别。可见，配对设计可在同一个个体上进行，也可在不同的个体上进行。在同一个体上进行时，同一个体不同阶段的条件是相同的；在不同个体上进行时，两个个体之间的条件必须是相似的。第2页，共58页，2023年，2月20日，星期一二.优点由于每个对子中都有一个条件相似的对象分到两个不同的实验组，因而抽样误差很小----组间影响因素的差异小，均衡性好，齐同可比性好。实验设计的效率高。第3页，共58页，2023年，2月20日，星期一三类别（一）自身对照设计

1.自身前后对照设计在同一个个体接受处理因素前后，观察处理因素作用后引起某效应的变化。以实验前为对照期，实验后为观察期结果---单组比较设计模式：NNeCD1TD2适用范围：急性或短期的实验研究或临床研究注意事项：（1）尽量使实验前后各种影响研究结果的因素基本一致。（2）一般情况下应设立同期平行对照组（空白对照组、实验对照组）。第4页，共58页，2023年，2月20日，星期一2.自身左右对照设计两个不同的被试因素分别施加于同一个体的左右两个部位。是将自身左右两个部位配对进行的设计，属自身不同部位的比较。模式：左对右实

NNeR

右对左实注意事项：

（1）同一个体的两个部位必须是对称的，这样可保证两组之间的影响因素基本相同，减小影响因素的干扰。（2）被试因素产生的作用必须是局部的，不会通过神经体液因素引起全身反应。（3）保持个体之间的条件均衡性。如外用药的剂量、用药部位的大小、动物个体之间的差异。1/2Ne1/2Ne第5页，共58页，2023年，2月20日，星期一(二).异体配对设计将条件相似的两个不同个体进行配对，在对子内随机地将两个样本分别分到不同的两个实验组------直接配对设计模式：Ⅰ：D1Ⅰ

TD2Ⅰ

NNePRⅡ：D1Ⅱ

CD2Ⅱ

应用范围：（1）临床上，可将年龄、性别、病情等相似的患者配对---双胞胎、专科医院、专科病房、社区（2）实验室中，可将同种系、同窝、同性别、体重相近的动物配对实验----小动物或中等动物（3）同一来源的生物样本（体液、组织、细胞等）分成两份，进行配对实验。注意事项：异体配对设计时，应注意每对实验对象内的两个样本应当具有良好的齐同可比性，不可勉强硬凑配对。第6页，共58页，2023年，2月20日，星期一四、统计学分析（一）计量资料1.自身前后配对设计:配对t检验

t=d/SdSd=Sd/(n1/2)2.异体配对设计：在资料完整时应进行三次配对t检验（1）两组实验前观察值的比较（配对t检验）（2）各组实验前后观察值的比较（配对t检验）（3）两组实验前后观察值的差值的比较（配对t检验）第7页，共58页，2023年，2月20日，星期一（二）计数资料配对设计的X2检验

b+c>40:x2=(b-c)2/(b+c)b+c≤40:x2=(b-c-1)2/(b+c)第8页，共58页，2023年，2月20日，星期一第二节交叉设计---交叉配对设计一、定义样本分配时先按异体配对方式配对后，随机地将受试对象分成两批。将A、B两种被试因素先后施加于同一批受试对象，随机地使半数对象先接受A，再接受B；另一半受试对象先接受B，再接受A。两种处理因素在全部受试对象中“交叉”进行。第9页，共58页，2023年，2月20日，星期一二.模式

Ⅰ:

D1ⅠD2ⅠD3ⅠD4Ⅰ

NNePR

Ⅱ:

D1ⅡD2Ⅱ

D3ⅡD4Ⅱ

AGBBGA1/2Ne1/2Ne第10页，共58页，2023年，2月20日，星期一三.优点

（1）兼有异体配对设计和自身配对设计的优点----设计效率高（2）每个样本先后接受两个被试因素，即一个样本做了两个用------节约样本第11页，共58页，2023年，2月20日，星期一四.应用范围

1.临床主要用于目前尚无特殊治疗方法，且病情相对稳定的慢性病患者。要求受试对象的病理状态在一段比较长的时间内要相对稳定。

2.实验室多用于离体器官实验。

3.慢性病理状态下治疗方法比较的实验研究。第12页，共58页，2023年，2月20日，星期一五.注意事项

（1）实验对象应为慢性病人或病理模型，且病情无自愈倾向，在一段较长的时间内病情相对比较稳定。（2）2个被试因素之间无蓄积作用和交互作用。否则不能分析效应是来自哪个受试因素。（3）两个处理因素之间应有足够的间隔期，以消除两个因素之间效应的相互影响。一般间隔期（洗脱期）G为6—8个药物的半衰期。第13页，共58页，2023年，2月20日，星期一六.统计分析方差分析（交叉设计的方差分析）问题：能否把这种设计当成一个异体配对设计，以配对t检验分析？第14页，共58页，2023年，2月20日，星期一第三节完全随机设计一.定义将受试对象完全按随机原则分到不同的组，对各组施加不同的处理；或从不同的总体（不同疾病、不同证型）中抽样，以抽出的样本来代表不同的总体，比较不同总体的差别。由于这种设计只是根据被试因素的多少来进行分组的，故属于单因素设计方法。第15页，共58页，2023年，2月20日，星期一二.模式

Ⅰ:D1ⅠD2Ⅰ(D3Ⅰ)

NNeRⅡ

:D1ⅡD2Ⅱ(D3Ⅱ)………….k:D1kD2k(D3k)第16页，共58页，2023年，2月20日，星期一三.方法可采用随机数字表法、随机排列表法。第17页，共58页，2023年，2月20日，星期一四.应用范围

1.动物实验多用于大动物或珍贵动物、以及无法进行配对或划分区组的实验。

2.临床研究多用于综合医院、综合病房组间的对比研究。

3.中医辨证分型与某些指标变化的关系及其比较的研究。将疾病的某一证型视为一个总体（群体），从各总体中抽样，观察某指标的变化，比较各组之间指标的差异。可将此类研究视为完全随机设计。

4.观察某疾病或某病不同阶段某指标的变化。将某病或其不同阶段视为总体，从中抽取病人，通过与正常组比较，或不同阶段各组之间比较，以分析疾病的病理变化。第18页，共58页，2023年，2月20日，星期一五.统计分析（一）两组数据的分析1.计量资料正态分布，方差齐---t检验P156正态分布，方差不齐---t’检验P158不符合正态分布，或分布不清---秩和检验P2212.计数资料大样本资料（n1+n2>120)----两样本率比较u检验P205分类变量率的比较----X2检验P2113.等级资料----等级资料的Ridit分析

第19页，共58页，2023年，2月20日，星期一（二）多组数据的分析

1.计量资料正态分布，方差齐----单因素方差分析（F检验）P162，两两比较q检验P165问题：多组完全随机设计资料，是否可以采用两组之间进行t检验以比较各组间的差异？如果用t检验可出现什么后果？非正态分布，或方差不齐---多组比较的秩和检验（H检验）P222，再进行两两比较P2242.计数资料，分类变量，多个样本率的比较---X2检验P213,多个率的两两比较P2153.等级资料（有序分类变量）----多组等级资料的Ridit分析第20页，共58页，2023年，2月20日，星期一六.注意事项1.注意各组样本数应尽量相等或接近，这样可提高显著性检验的效率。2.注意随机原则，随机是设计的前题。完全随机不是随意。3.应尽量注意组间的均衡可比性，以减小实验误差。可采用先分层再随机的方法。如未按先分层再随机进行分组，其均衡性可能较差。应在实验样本达预期样本的80-90%时，进行均衡性检查，再对余下的样本进行调整分组。第21页，共58页，2023年，2月20日，星期一

异体配对设计和完全随机设计的选择

问题：两组实验时，以选用何种方法为好？

两组实验时，如条件可行，应尽量选用异体配对设计。因为配对设计的效率高于完全随机设计。但不是绝对的。第22页，共58页，2023年，2月20日，星期一第四节配伍组设计（随机区组设计）一.定义

区组---几个条件（影响因素，如年龄、性别）相似的受试对象划成一个区段。

随机区组---几个条件相似的受试对象先划分成一个区组，然后在区组内按随机原则将各个样本分别分配到各个实验组。

特点---由于每个区组都有一个样本分配到各个实验组，故改善了组间的均衡性和齐同可比性---各组可比性好第23页，共58页，2023年，2月20日，星期一二.模式

Ⅰ:D1ⅠD2Ⅰ(D3Ⅰ)

Ⅱ:D1ⅡD2Ⅱ(D3Ⅱ)

NNeBR………..K:D1kD2K(D3k)ABC第24页，共58页，2023年，2月20日，星期一三.适用范围组数≥3的实验随机区组在设计思路上与异体配对设计类似，但异体配对设计只适用于两组实验，而随机区组设计适用于多组实验----异体配对设计的扩大运用为两因素设计方法----根据影响因素划分区组，根据被试因素划分实验组。第25页，共58页，2023年，2月20日，星期一四.优点先划区组，再在区组内随机分配样本，每个被试因素组中都有一个相同区组的样本，因而保持了各组间的均衡可比性；且各实验组样本数相等。因而实验误差小---效率高于完全随机设计第26页，共58页，2023年，2月20日，星期一五.设计方法1.先划分区组划分区组的条件：将对实验结果有明显影响的非被试因素作为划分区组的条件（依据）

原则：区组内差异（非被试因素）越小越好，区组间差异越大越好。第27页，共58页，2023年，2月20日，星期一动物实验区组的划分：将同一来源、同一品系、年龄一致的动物，先按窝别和性别分成一个大的区段（大区组），再在大区组内将体重相近的动物分成小区组。例：窝1雄编号：1234

体重：198200203253

窝2雌编号：1234

体重：173196198202第28页，共58页，2023年，2月20日，星期一临床研究区组的划分：临床研究进行随机区组设计比较困难，一般要在有较多的病例供选择时才可进行随机区组设计，故多在专科医院、社区等地进行。临床研究进行随机区组设计的原则同前。可先按性别分开，再将病情或年龄相近者划分成小区组。例：男女

35-45Y45-60Y35-45Y45-60Y

中较重中较重中较重中较重

123456第29页，共58页，2023年，2月20日，星期一2.再随机处理组数为K，每K个样本划分成一个小区组，在每一个小区组内取K-1个随机数字，分别以K、K-1、K-2、……除随机数字，视余数分组：余数为1分在第一个组；余数为2分在剩余的第二个组……，以此类推。例1：18只大鼠分成三组例2：27例胃溃疡患者按证型划分区组进行配伍组设计第30页，共58页，2023年，2月20日，星期一例1：18只大鼠分成三组雄性（9只）体重排序200199198197197196195195194划分区组随机数R2217----6865---8168-----（第一行第一个开始）

R/K的余数11----21----32------分组ABCBACCBA第31页，共58页，2023年，2月20日，星期一六.随机区组设计的扩大运用1.不同方法研究同一个对象，比较不同方法的异同。例：对象方法样本1（血浆）ELISARIAHPLC

样本2（血浆）ELISARIAHPLC…….第32页，共58页，2023年，2月20日，星期一2.同一个研究方法研究同一对象的不同部位某一效应指标的变化，比较不同部位某一指标的异同。例：样本不同部位组织液pH值

内关合谷足三里三阴交

患者1……

患者2……

患者3………………..

第33页，共58页，2023年，2月20日，星期一3.被试因素作用于同一个受试对象在不同时间点引起某一效应指标的变化，则同一个受试对象为一个区组，不同时间点视为不同的处理因素。（目的是比较不同时间点效应的差别）例：动物时间（min）注药前103060120

兔1PTPTPTPTPT

兔2…………

兔3…………第34页，共58页，2023年，2月20日，星期一七.临床科研随机区组设计的运用技巧问题：临床科研配伍组设计原则同前。但由于临床难以一次性滿足研究对病例数的要求，故临床科研进行配伍组设计时可遵循配伍组设计的原则灵活运用。方法：首先将研究者认为重要的因素（如年龄、性别等）进行均衡性处理，分成不同的层次（区组），其它次要的因素（如体重、体质等）则仅作记录，不作为分层的依据。然后根据病人的就诊顺序依次按均衡的层次进行分组。实际上，在同一个层次内，相近的几个样本为一个区组。第35页，共58页，2023年，2月20日，星期一例：比较A、B、C三种药物抗心绞痛的疗效

均衡层次就诊顺序

重男随机数2217---R/K的余数11--

就诊顺序147

分组ABC

女随机数6865---R/K的余数21--

就诊顺序258

分组BAC轻男随机数8168---R/K的余数32--

就诊顺序369

分组CBA

女 随机数9523---R/K的余数21--

就诊顺序101112

分组BAC第36页，共58页，2023年，2月20日，星期一八.统计分析方法（一）计量资料两因素方差分析---条件：正态分布，方差齐P164

目的是比较各组之间总体上差异有无显著性意义。在两因素方差分析的基础上，再进行多个均数之间的两两比较（多重比较）--q检验

问题：在进行多个均数的两两比较时，是否可用t检验进行每两个均数的对比？如用t检验作两个对比，则会使犯第一类错误（假阳性错误）的概率α增大，使本来无差异的两个总体均数判断为有差异。第37页，共58页，2023年，2月20日，星期一（二）计数资料多个样本率比较的χ2检验和多个率的两个比较。（P214）（三）配伍组设计计量资料方差不齐时比较的秩和检验（M检验）（P225）第38页，共58页，2023年，2月20日，星期一配伍组设计计量资料方差分析的技巧和要求配伍组设计计量资料表组别效应指标(x±s)

给药前给药后前后差值(d)

GroupAxA1±sA1xA2±sA2dA±sdAGroupBxB1±sB1xA2±sB2dB±sdBGroupCxC1±sC1xC2±sC2dC±sdC分析：

（1）各组给药前效应值进行两因素方差分析。注意：要求P>0.05

（2）各组的实验前后数值分别作配对t检验，以明确各组接受被试因素前后是否可引起效应指标发生改变。（3）各组前后的差值作两因素方差分析，以比较各被试因素作用后效应的差别。_第39页，共58页，2023年，2月20日，星期一

多组研究时随机区组设计与完全随机设方法的选择问题在多组实验时，如条件允许，应尽量选用随机区组设计，因随机区组设计的效率高于完全随机设计。但这并不绝对的。第40页，共58页，2023年，2月20日，星期一第五节拉丁方设计一.定义拉丁方：将拉丁字母代表处理因素，以r个拉丁字母排成r行、r列的方阵，即r*r的方阵。拉丁方设计：在研究中，如除了要比较不同的处理之间效应的差别外，还需将另外2个影响因素对实验结果的影响分离出来，此时以拉丁字母作为处理因素，以行和列分别作为两个影响因素，组成r*r个方阵，按此方阵进行的实验，为拉丁方设计。第41页，共58页，2023年，2月20日，星期一例：拟比较A、B、C、D四个药物对人血小板体外聚集反应的影响，每个样本作为一个区组，将每个样本的血小板在体外分成4份，分别加入药物，进行血小板聚集试验。在实验中，除考虑四个处理因素的作用外，还考虑另外两个因素对实验结果有影响：一是不同的样本之间有个体差异，二是在体外实验时操作顺序对结果有影响。现以行作为区组因素（个体差异），以列为第三因素（顺序），进行如下设计：第42页，共58页，2023年，2月20日，星期一方案1区组顺序

ⅠⅡⅢⅣ1AAAA2BBBB3CCCC4DDDD方案2区组顺序

ⅠⅡⅢⅣ1ABCD2ABCD3ABCD4ABCD方案3区组顺序

ⅠⅡⅢⅣ1ABCD2BCDA3CDAB4DABC第43页，共58页，2023年，2月20日，星期一二.要求

必须为三因素设计---处理因素、行（区组）因素、列（第三）因素，且每个因素的水平数必须相等----配伍组设计的扩大运用。第44页，共58页，2023年，2月20日，星期一三.应用范围1.体外实验中，操作顺序常作为第三因素.例：在体外比较三种药物抗凝作用，生理盐水为对照。以每个兔为一个区组，将每只兔血浆分为4份，加入药物后，分别测定凝血时间。考虑凝血时间的差异将来自三个方面的影响：药物之间、不同兔间、顺序之间。三个因素的水平数相等。故可用拉丁方设计。第45页，共58页，2023年，2月20日，星期一2.体内实验：研究不同的被试因素，取不同的剂量，对不同的相关病理状态作用的比较。例：从蛇毒中分离3个成分（A、B、C），拟取3个剂量（0、5、10mg/kg)，对三种小鼠病理模型（S180、艾氏腹水癌、淋巴肉瘤）的作用。

3个成分为被试因素，三种肿瘤为行（区组）因素，三个剂量为列（第三）因素。可用拉丁方设计进行组合。第46页，共58页，2023年，2月20日，星期一

小鼠模型

a(S180)b(艾氏腹水癌)c(淋巴肉瘤)0ABC剂量5BCA10CAB第47页，共58页，2023年，2月20日，星期一3.不同中药对相关的不同疾病的不同证型疗效的比较。例：三种中药复方（A、B、C）对三种胃病（消化性溃疡、慢性胃炎、萎缩性胃炎）三种证型（Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ

）疗效的比较。三种复方为被试因素，三种胃病为区组因素，三种证型为列因素，进行拉丁方设计。第48页，共58页，2023年，2月20日，星期一

三种胃病

消化性溃疡慢性胃炎萎缩性胃炎

ⅠABC证型ⅡBCAⅢCAB第49页，共58页，2023年，2月20日，星期一四.注意事项1.注意随机。样本分配在区组内或列内随机，各因素各水平的确定随机。2.三个因素的水平数必须相等，且因素之间无交互作用。3.只用一个拉丁方进行实验时，样本数过少，可能影响实验结果，可用另外排列的拉丁方重复。第50页，共58页，2023年，2月20日，星期一五.统计分析计量资料，三因素方差分析。第51页，共58页，2023年，2月20日，星期一随机区组设计和拉丁方设计的选择一般情况下拉丁方设计的效率高于随机区组设计第52页，共58页，2023年，2月20日，星期一随机区组设计变异来源离均差平方和自由度均方F值总变异SStVt=kn-1处理间SSgVg=k-1MSg=SSg/VgFg=MSg/MSe区组间SSbVb=n-1MSb=SSb/VbFb=MSb/MSe误差SSe=SSt-SSg-SSb

Ve=(k-1)(n-1)MSe=sse/ve

拉丁方设计变异来源离均差平方和自由度均方F值总变异SStVt=kn-1处理间SSgVg=k-1MSgFg行（区组）间SSbVb=n-1MSbFb列（三因素）间SSoVo=n-1MSoFo误差SSe=SSt-SSg-SSbVe=(k-2)

MSe-SSo

(n-1)

第53页，共58页，2023年，2月20日，星期一第六节析因设计问题：以上的设计方法只能分析出被试因素的作用，而不能分析被试因素组合的效应如何。如要分析被试因素组合后效应的不同（交互作用），则必须将被试因素取不同的水平进行组合后进行实验,此为析因设计。为全面实验方法。组合数=水平因子二因素二水平组合数：22=4

七因素二水平组合数：27=128

由于因子数和水平越多，组合越多，故析因设计仅用于二因素二水平组合实验。第54页，共58页，2023年，2月20日，星期一一.定义

将两个因素的两个水平进行排列组合，交