医学统计学实验研究设计详解演示文稿

医学统计学实验研究设计详解演示文稿当前第1页\共有83页\编于星期六\22点（优选）医学统计学实验研究设计当前第2页\共有83页\编于星期六\22点实验研究设计根据研究对象不同又可分为动物实验(animalexperimentdesign)

以实验动物和实验样品为对象临床试验(clinicaltrialdesign)

以患者为对象现场试验(fieldtrial)

以自然人群为对象当前第3页\共有83页\编于星期六\22点当前第4页\共有83页\编于星期六\22点当前第5页\共有83页\编于星期六\22点主要内容实验研究设计的原则实验设计的基本内容常用的实验设计类型临床试验设计当前第6页\共有83页\编于星期六\22点第一节实验设计的原则当前第7页\共有83页\编于星期六\22点实验设计三原则贯彻以下三原则是控制误差和偏倚的重要措施：随机化原则（randomization)设立对照(control)足够的样本含量（重复性原则）(replication)当前第8页\共有83页\编于星期六\22点一、对照原则是控制实验中其它非实验影响因素和偏倚不可缺少的重要手段。根据研究目的设立恰当的对照，如（1）空白对照（blankcontrol）（2）实验对照（experimentalcontrol）

（3）标准对照（standardcontrol）（4）自身对照（selfcontrol）（5）相互对照（mutualcontrol）当前第9页\共有83页\编于星期六\22点对照的综合运用在一项研究中，为了排除重要非实验因素的影响，往往会选择多种类型的对照。研究两种不同剂量的γ射线照射下小鼠外周血白细胞数变化情况，实验设计成以下四组：空白对照组、假照射组（如一般的日光灯照射）、剂量1γ射线照射组、剂量2γ射线照射组。同时使四组小鼠在受到体重、窝别等重要的非实验因素的影响方面均衡一致。当前第10页\共有83页\编于星期六\22点空白组的设立是为了反映小鼠在不接受任何照射下的生物体状态；假照射组反映在一般照射的状态下小鼠的生物体状态，在该研究中属于实验对照。两种剂量之间构成了相互对照。如果没有假照射组作为实验对照，即使接受了不同剂量的γ射线照射后的两组小鼠外周血白细胞含量之间的差别，那么此实验结果仅能说明γ射线的剂量不同，对外周血白细胞的含量影响不同，而不能说明“用γ射线照射与用非γ射线照射”对外周血白细胞含量的影响之间的差别.如果没有空白对照组，就不能说明“照射与否”这一因素对实验结果的影响有多大。当前第11页\共有83页\编于星期六\22点随机化原则

是指采用随机的方式，使每个受试对象均有同等的机会被抽取或分配到实验组和对照组随机抽样：机会相等随机分配：随机分配到组，提高组间可比性实验顺序随机：实验顺序对各对比组效应影响均衡

当前第12页\共有83页\编于星期六\22点重复原则指在相同实验条件下进行多次实验或观察主要包括以下两方面:对多个受试对象进行实验：普遍性，保证样本量对同一受试对象进行重复观测：血压测量重复三次当前第13页\共有83页\编于星期六\22点均衡的原则对非试验因素的条件加以控制，使试验组的非处理因素和对照组的非处理因素均衡一致应尽量设立同期对照(concurrentcontrol)或平行对照(parallelcontrol)当前第14页\共有83页\编于星期六\22点例某医生欲观察某中药对慢性支气管炎的预防效果，设计时在城市某工厂选择工人100名服用该中草药，在农村选择某乡农民100名作对照，不服用此药。结果是城市慢性支气管炎患者明显较少，而农村慢性支气管炎患者增加，由此得出该中草药有防治慢性支气管炎的作用。

该结论合理吗？为什么？当前第15页\共有83页\编于星期六\22点修改将城市100名工人分成两组：50名服用中草药，50名不服用将农村100名农民分成两组：50名服用中草药，50名不服用当前第16页\共有83页\编于星期六\22点实验设计的基本内容（1）建立研究假设（2）明确受试对象的范围和数量（3）确立处理因素（4）明确观察指标（5）确定实验设计的类型（6）控制误差和偏倚

当前第17页\共有83页\编于星期六\22点当前第18页\共有83页\编于星期六\22点（一）建立研究假设根据研究目的确定研究假设:主要问题(primaryquestion)

一项研究所要解决的问题，也就是实验的目的次要问题

(secondaryquestion)

用于补充说明及完善研究问题主要问题绝经期妇女钙干预试验及相关因素研究

次要问题对于不同钙剂量组对绝经期妇女骨密度的影响

？受试对象的依从性如何？

当前第19页\共有83页\编于星期六\22点（二）明确受试对象纳入标准(inclusioncriteria)排除标准(exclusioncriteria)当前第20页\共有83页\编于星期六\22点受试对象应满足的两个基本条件对处理因素敏感反应必须稳定其次,为使研究结果具有普遍性和推广价值,须保证受试对象的同质性(homogeneity)和代表性。当前第21页\共有83页\编于星期六\22点应注意纳入那些对处理因素的效应反映灵敏的患者，排除无反应对象的干扰;应排除可能受到处理措施损害的特殊人群;纳入标准和排除标准应当用条文明确规定，成为书面形式，并让所有参与研究的医务工作者都知道，以便认真执行。

确定纳入标准应注意的问题当前第22页\共有83页\编于星期六\22点研究对象纳入与排除标准：纳入标准：在哈尔滨居住满5年以上；年龄在50-65岁之间；完全自然停经达1年及以上的绝经期妇女。排除标准：有排除与钙代谢或者影响钙吸收的相关疾病者，排除有骨骼健康相关的疾病者。如行过卵巢手术、停经前子宫切除术、部分胃肠切除术、甲状腺切除术者；如有消化吸收不良症、冠心病、中风、糖尿病、癌症、甲状腺或甲状旁腺疾病、慢性肝病或者慢性肾病等疾病者；如近期服用过雌激素、连续服用药物超过1个月者；如不会长期居于本市者；如对奶粉不耐受者等。当前第23页\共有83页\编于星期六\22点剔除标准在试验开始或进行过程中，若发现不适合纳入标准或应当排除的病例，则应剔除，否则将会影响今后的统计分析，实际上是排除标准的完善与补充。如在试验开始后发现化验结果、某种特殊检查结果不符合纳入标准等。当前第24页\共有83页\编于星期六\22点明确受试对象的数量就是估计样本含量，一般根据主要观测指标来确定(见第19章）样本含量过小，统计推断效能低样本含量过大，增加研究成本随机抽取哈尔滨市红旗社区卫生服务中心管辖范围内373名绝经期妇女，筛查后招募符合标准者282名。

当前第25页\共有83页\编于星期六\22点处理因素又称受试因素，是研究者根据研究目的而施加给受试对象的特定实验措施

(如试验中给予的某种试验药物，实行某种手术等)。处理因素标准化非处理因素，如:混杂因素(confounder)（三）确定处理因素当前第26页\共有83页\编于星期六\22点处理因素——钙干预四组分别给予含钙不同但均强化维生素D后的奶粉(雀巢公司生产)，早晚各一袋冲水服用。

A组服用奶粉钙含量是600mg/100g，B组服用奶粉钙含量是300mg/100g，C组服用奶粉钙含量是900mg/100g，D组信息干预组，将参与者各项检查结果均反馈给本人，告知本人健康状况，尤其是骨密度信息，并指导膳食。当前第27页\共有83页\编于星期六\22点（四）明确观察指标及测量方式客观性较强准确度和精密度灵敏度和特异度当前第28页\共有83页\编于星期六\22点准确度(accuracy)是观察值与真值的接近程度。精密度(precision)是在重复观察时，观察值与其平均值的接近程度。灵敏度(sensitivity)反映其检出真阳性的能力，灵敏度高的指标能将处理因素的效应比较敏感地显示出来特异度(specificity)反映其鉴别真阴性的能力，特异度高的指标不易受混杂因素的干扰当前第29页\共有83页\编于星期六\22点钙干预试验观察指标骨密度检测，与哈尔滨市骨伤科医院合作，该医院有目前国际先进美国Norland公司生产双能X线骨密度仪，腰椎(腰椎L2-L4)，左侧股骨(股骨颈、大转子、Ward三角)，全身三个大部位，可获得与骨密度有关的T值、Z值、BMD、骨矿物质含量(bonemineralcontents,BMC)等指标。T值是将测得的骨密度值与同性别、同种族的正常人群骨峰值比较得出的值；Z值是将测得的骨密度值与同年龄、同性别、同同种族的正常人群比较得出的值；BMD=BMC/面积血液生化指标检测及尿液离子检测，于调查当天采集绝经期妇女的空腹血，经离心后抽取血清，检测各项生化指标；同时收集24小时尿液，检测尿液离子的水平，样品的检测均是在哈尔滨医科大学附属第二医院检验科进行。当前第30页\共有83页\编于星期六\22点（五）控制误差和偏倚任何实验研究结果均可能受两种因素的影响真正由于处理因素作用的影响各种误差和偏倚(bias)的干扰当前第31页\共有83页\编于星期六\22点误差(error)概念：试验中的原始数据与真实值之差，样本的统计量与参数之差统称为误差。误差分为两大类非随机误差随机误差当前第32页\共有83页\编于星期六\22点非随机误差非随机误差又可分为两种：非系统误差：在试验过程中研究者由于偶然的失误造成的误差，这种误差亦称为过失误差。系统误差：系统误差的值是恒定不变的，或者是按一定的规律变化。当前第33页\共有83页\编于星期六\22点随机误差概念：是无规律性、不恒定的随机性变化的误差，亦称偶然误差，抽样误差就是其中的一种。随机误差不可避免正或负，无一定规律性。有些随机误差可能被认识而加以控制。当前第34页\共有83页\编于星期六\22点偏倚(bias)概念：偏倚是指在临床试验中由于某些非试验因素的干扰所形成的系统误差，并歪曲了处理因素的真实效果偏倚是一种系统误差偏倚只能进行控制而不可能完全避免当前第35页\共有83页\编于星期六\22点试验中可能出现的偏倚偏倚的分类形式很多，现选用按临床试验的各阶段分为：选择性偏倚(selectionbias)测量性偏倚(measurementbias)混杂性偏倚(confoundingbias)当前第36页\共有83页\编于星期六\22点选择性偏倚概念：由于纳入观察对象的方法不正确而产生的偏倚。防止选择性偏倚的措施：正确拟定观察对象的纳入和排除标准采用分层抽样的方法正确设立对照贯彻随机化原则当前第37页\共有83页\编于星期六\22点测量性偏倚概念：在实验过程中对研究对象进行观察或测量时产生的偏倚。当前第38页\共有83页\编于星期六\22点常见的测量性偏倚沾染(contamination)和干扰(co-intervention)依从(compliance)和非依从(noncompliance)

失访(losttofollow-up)

检查和诊断结果的不一致(disagreement)

观察记录的失误当前第39页\共有83页\编于星期六\22点防止测量偏倚的措施盲法(blindmethod)签定临床试验合同检查试验对象的依从性注意医德定期检查研究记录评价判断的一致性当前第40页\共有83页\编于星期六\22点混杂性偏倚(confoundingbias)在数据分析阶段，由于某些非试验因素与试验因素同时并存影响到实验结果，这种由非处理因素造成的偏倚，即混杂偏倚，简称混杂。当前第41页\共有83页\编于星期六\22点防止混杂偏倚的措施分层贯彻随机化原则配伍组设计标准化法

Mantel-Haenszel卡方检验协方差分析

当前第42页\共有83页\编于星期六\22点钙干预试验质量控制调查员培训，调查流程、交流技巧等培训，调查表条目进行详细的解释，强调调查时的注意事项，并于调查前每位调查员认真填写一份调查问卷，针对问卷中存在的问题进行讨论，形成统一理解。调查表的信度和效度检验，FFQ调查表即所用食物频率调查问卷已经经过信度和效度检验[49]，能够正确并有效的评估膳食情况。形象使用容器，调查过程中有关于食物频率调查部分，使用到关于个、碗、杯、勺等容器，为统一认识，于调查当日在调查现场摆放好大小不同的各种碗、勺、杯等容器，以方便调查者和被调查者辨认。调查表审核，每天调查完成后，有专人负责审核当日所调问卷，若存在问题及时与调查员沟通或电联被调查者，以保证调查资料的准确性；数据的录入与双向比对，收回调查问卷后，采用EpiData3.1软件建立数据库，实行双向数据录入和比对，保证数据的质量。血样、尿样收集及检测，血样尿样的采集和保存均严格按照标准执行，由专业护士人员采集，同时有课题组人员随行监督，以免发生错乱现象；检测仪器为哈尔滨医科大学附属第二医院检验科正在使用的检测器，符合质量认证标准。当前第43页\共有83页\编于星期六\22点（六）确定实验设计类型完全随机设计配对设计随机区组设计交叉设计析因设计当前第44页\共有83页\编于星期六\22点随机分组方法随机化应贯穿于实验研究的全过程，包括受试对象的选取、分组以及实验实施过程均应遵循随机化原则。当前第45页\共有83页\编于星期六\22点2.配对随机化和区组随机化配对随机化（pairedrandomization）是将受试对象首先按一定的相同或相近的条件（称为配对因素）配成对，再将每对中的两个受试对象随机分配到两个不同的处理组中。区组随机化（blockrandomization）是配对随机化的扩展，当处理措施在两个以上时，与处理组数相等的受试对象按一定的条件（称为区组因素）相同或相近配成区组（block，也称为配伍或单位组），在区组内进行随机化，受试对象随机分配到不同的处理组中，接受不同的处理。

当前第46页\共有83页\编于星期六\22点3.分层随机化（stratifiedrandomization）

为使某些已知的、对观察结果影响较大的非处理因素在各组间尽可能一致，先根据这些因素进行分层，然后在每一层内通过完全随机化分组，称为分层随机化。分层随机化的层数不宜过多

当前第47页\共有83页\编于星期六\22点常见的随机化问题将随便、随意当作随机在动物分组时将先抓到的小鼠放在一笼，后抓到的放另一笼，表面看来未进行挑选。结果先抓到的多为不活泼的或雌性的，而最后抓到的多为活泼的或雄性的。这不是随机，而是随意，随意往往会带来系统误差。在病人分组时，如为突出被试因素的效果，将轻患者安排在实验组，重病人安排在对照组，这是随意，随意实质是弄虚作假。有些“回顾性”的临床总结报告，在撰写论文之前并无严格的试验设计，而是搜集手头已有的可得病例资料，能够获得多少病例就用上多少，然后再去拼凑对照组，根本谈不上随机抽样与随机分配处理因素。当前第48页\共有83页\编于星期六\22点---对随机的含义不理解对老年人胃癌术后并发症进行分析，并与青壮年患者进行对比，在“材料与方法”中却写到“收集本院××年至××年胃癌住院手术患者139例，随机分为老年组(>60岁)47例和非老年组

92例。”此作者是将患者按年龄分组，而不是随机分成老年和非老年组。某作者用静注丙种球蛋白治疗新生儿

HIE，并与常规处理做对照，文中写到“为观察丙球对

HIE的治疗效果，将

1995年入院的部分患儿用丙球治疗，接受丙球治疗为观察组，常规处理的为对照组”。这是作者在总结病例资料进行的分类分组，正确的做法应该是在接受治疗前将患儿进行随机分组。当前第49页\共有83页\编于星期六\22点第三节常用实验设计类型

根据研究目的，处理因素的多少，并结合专业要求、物质支持等选择适合的设计方案若考察单个处理因素的效应，可选用完全随机设计、配对设计、随机区组设计或交叉设计若考察多个处理因素的效应，可选用析因设计、正交设计等方案当前第50页\共有83页\编于星期六\22点一、完全随机设计（completelyrandomizeddesign）

又称简单随机设计（simplerandomizeddesign），是最为常见的一种考察单因素两水平或多水平效应的实验设计方法。采用完全随机分组的方法将同质的受试对象分配到各处理组，观察其实验效应。各组样本含量相等时，称为平衡设计（balanceddesign）；样本量不等时，称非平衡设计（unbalanceddesign）。平衡设计效率较高

当前第51页\共有83页\编于星期六\22点拟将12只大鼠随机分入甲、乙两组，每组6名。

完全随机化分组

（1）编号（2）取随机数（3）确定组别

当前第52页\共有83页\编于星期六\22点完全随机设计优点是设计简单，易于实施，出现缺失数据（missingvalue）时仍可进行统计分析。缺点是小样本时，可能均衡性较差，误差较大。与随机区组设计相比，效率较低。统计方法：如果资料满足正态分布、数据间独立、各处理组方差齐的条件，可以采用独立样本t检验或方差分析等；若不满足，可采用独立样本比较的秩和检验。当前第53页\共有83页\编于星期六\22点二、配对设计配对设计（paireddesign）是将受试对象按一定条件配成对子，再将每对中的两个受试对象随机分配到不同处理组。据以配对的因素应为可能影响实验结果的主要混杂因素。在动物实验中，常将窝别、性别、体重等作为配对因素；在临床试验中，常将病情、性别、年龄等作为配对因素。当前第54页\共有83页\编于星期六\22点符合实验要求的大白鼠按性别、体重等配对对子1对子2对子nTCTCTC······图3随机对照配对设计示意图（T：试验，C：对照）当前第55页\共有83页\编于星期六\22点配对设计主要情形将两个条件相同或相近的受试对象配成对子，通过随机化，使对子内个体分别接受两种不同的处理同一受试对象（人或标本）的两个部分配成对子，分别随机地接受两种不同的处理自身前后配对当前第56页\共有83页\编于星期六\22点配对设计和完全随机设计相比，其优点在于可增强处理组间的均衡性、实验效率较高；其缺点在于配对条件不易严格控制，当配对失败或配对欠佳时，反而会降低效率。配对的过程还可能将实验时间延长。假设检验方法：如果对子的差值服从正态分布，可以采用配对设计资料的t检验或随机区组设计方差分析等；若对子间差值不服从正态分布，可采用符号秩和检验

当前第57页\共有83页\编于星期六\22点三、随机区组设计又称单位组设计、配伍组设计。它实际上是配对设计的扩展，通常是将受试对象按性质（如动物的性别、体重，患者的病情、性别、年龄等非处理因素）相同或相近分为b个区组（或称单位组、配伍组），再将每个区组中的k个受试对象随机分配到k个处理组。设计时应遵循“区组间差别越大越好，区组内差别越小越好”的原则。当前第58页\共有83页\编于星期六\22点图14-2随机区组设计的示意图当前第59页\共有83页\编于星期六\22点区组随机化（1）形成区组并编（2）取随机数（3）确定组别例14-2为研究四种剂量的碘对小白鼠脾脏的影响，将40只小白鼠的体重作为区组因素，试作随机分配处理。当前第60页\共有83页\编于星期六\22点随机区组设计资料的假设检验方法：如果资料满足正态分布、数据间独立、各处理组方差齐的条件，可以采用随机区组设计资料的方差分析若不满足，可采用随机区组设计资料的秩和检验当前第61页\共有83页\编于星期六\22点四、交叉设计交叉设计（cross-overdesign）是一种特殊的自身对照设计，它按事先设计好的实验次序（sequence），在各个时期（period）对受试对象先后实施各种处理，以比较处理组间的差异。受试对象可以采用完全随机化或分层随机化的方法来安排。当前第62页\共有83页\编于星期六\22点当前第63页\共有83页\编于星期六\22点交叉设计的优点一是节约样本含量二是能够控制个体差异和时间对处理因素的影响，故效率较高三是在临床试验中，每个受试对象均接受了各种处理（如试验药和对照药），因此均等地考虑了每个患者的利益。当前第64页\共有83页\编于星期六\22点交叉设计的缺点一是每个处理时间不能太长，因在同一受试对象上作了多种处理，处理和清洗阶段过长会导致整个试验周期过长，受试对象中断试验；二是当受试对象的状态发生根本变化时，如死亡、治愈等，后一阶段的处理将无法进行；三是受试对象一旦在某一阶段退出试验，就会造成该阶段及其以后的数据缺失，增加统计分析的困难。当前第65页\共有83页\编于星期六\22点进行交叉设计应当注意：（1）尽可能采用盲法，以提高受试对象的依从性，避免偏倚。（2）不宜用于具有自愈倾向或病程较短的疾病研究。在慢性病观察过程中，应尽量保持条件的可比性。当前第66页\共有83页\编于星期六\22点五、析因设计（factorialdesign）

是将两个或多个处理因素的各水平进行组合，对各种可能的组合都进行实验，从而探讨各处理因素的主效应（maineffect）以及各处理因素间的交互作用（interaction）。析因设计考虑各因素所有水平的全面组合，故又称完全交叉分组实验设计。

当前第67页\共有83页\编于星期六\22点析因设计模式当观察个k处理因素，每个因素均有m个水平时，共有mk种组合，简记为析因设计当前第68页\共有83页\编于星期六\22点*探讨贝那普利联合应用氯沙坦是否可预防环孢素A的慢性肾毒性，60只SD大鼠按照下表的方式分配当前第69页\共有83页\编于星期六\22点析因设计优缺点在析因设计中，每个因素各水平的选择取决于研究目的。析因设计的优点在于其全面、高效性。析因设计缺点为工作量较大

当前第70页\共有83页\编于星期六\22点六、重复测量设计重复测量设计（repeatedmeasuredesign）是指同一研究对象在不同条件下对同一观察指标进行多次重复观察或测量的设计方法。不同条件通常是指不同时点，即时间因素的不同水平。

当前第71页\共有83页\编于星期六\22点例某课题组研究青光眼结膜成纤维细胞增殖表达情况，选择20例青光眼患者和24例对照，入选条件中要求基线水平基本一致，取两组研究对象眼角膜细胞进行培养，分别在3、7、14、21天四个时间点观察平均细胞数.当前第72页\共有83页\编于星期六\22点表14-10观察20例青光眼患者和24例对照的成纤维细胞数当前第73页\共有83页\编于星期六\22点重复测量设计优点重复测量设计相较于其它设计方法，能收集更多的信息；多次测量在同一对象上进行，有效地控制了个体变异，提高效率，减少样本含量

当前第74页\共有83页\编于星期六\22点第四节临床试验设计当前第75页\共有83页\编于星期六\22点化学药品研究开发的程序

新药的开发不但高投入、高风险，而且开发的周期也很长。2010年，一个新药一般需要投入十亿美元左右的费用，需要十年左右的研发时间。开发的程序分为三个阶段：发现化合物非临床研究（动物）临床研究当前第76页\共有83页