实验设计概述

Introduction

toExperimentalDesign

(实验设计概述）流行病与卫生统计研究所李秀君2009.6.3Introduction

toExperimental1医学科研设计及其分类专业设计：选题、查阅文献、假说、预试验统计设计：对象、分组、数量、指标、分析方法设计好：（1）既省又可靠 （2）可估计误差 （3）获取多方面知识设计不好：（1）杂乱无章、虽多犹无 （2）只能罗列现象、无规律可言IntroductiontoExperimentalDesign医学科研设计及其分类专业设计：选题、查阅文献、假说、预试验I2是否主动施加干预?1.实验研究(干预):

受试对象：人——临床试验（clinicaltrial）动物——动物实验（animalexperiment

）临床试验：治疗——临床疗效实验预防—社区干预实验（communityinterventiontrial）2.调查研究(无干预):被动地观察、如实记录

联系：调查研究可为实验研究提供线索，而实验研究还需要通过调查研究加以证实。医学科研设计及其分类是否主动施加干预?医学科研设计及其分类3ExperimentalDesign）

一、

实验设计的基本概念二、实验设计的特点三、实验设计的分类四、实验研究的基本要素五、实验设计的基本原则

IntroductiontoExperimentalDesignExperimentalDesign）一、

实验设计的基4科学合理地安排实验研究的过程就是实验设计。实验设计是科研计划的具体实施方案，是进行实验和统计分析的先决条件，是实验研究获得预期结果的重要保证。一个科学合理的实验设计方案，不仅要根据研究目的确定研究内容、技术路线和方法，而且要能保证用较少的人力、物力、财力及时间进行实验，最大限度地减少误差，获得可靠的结果。实验设计过程是专业设计和统计设计的有机结合。一、实验设计的基本概念

科学合理地安排实验研究的过程就是实验设计。一、实验设计的基本5研究者能人为设置处理因素；受试对象接受何种处理因素或水平由随机分配而定，能使各组的非处理因素保持均衡，组间具有可比性，可以客观评价处理因素的作用；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，达到高效的目的。二、实验设计的特点

研究者能人为设置处理因素；二、实验设计的特点6根据研究目的和对象不同，实验设计可分为三类：实验研究：以动物或标本（如细胞、组织等）为研究对象，研究者对其可主动施加干预措施。临床试验：以人为研究对象，由于人具有思想、心理和社会活动，难以控制，因此，研究者必须周密考虑、认真设计，控制误差和偏倚，以保证研究结果不受干扰。三、实验设计的分类

根据研究目的和对象不同，实验设计可分为三类：三、实验7社区干预试验：以社区人群为研究对象，接受某种处理或干预措施的基本单位是整个社区或某一人群的亚群，如一个学校的班级、某工厂的车间、某城市的街道、农村的乡镇、自然村等。

主要目的是通过干扰某些危险因素或施加某些保护性措施，观察其对人群产生的预防效果。例如，观察肾综合征出血热疫苗对肾综合征出血热的预防作用。由于社区干预试验难以将受试者进行随机分配，因此又称为半试验性研究。三、实验设计的分类

社区干预试验：以社区人群为研究对象，接受某种处理或干预措施的8降压药高血压病人血压值处理因素受试对象实验效应三要素：1.处理因素；2.受试对象；3.实验效应其他因素其他效应四、实验设计的基本要素

再例如，用两种药物治疗糖尿病病人，观察比较两组病人血糖、尿糖的下降情况，这里所用的药物为处理因素，糖尿病病人为受试对象，血糖值、尿糖值为实验效应。降压药高血压病人血压值处理因素受试对象实验效应三要素：1.处9实验过程中影响实验结果的因素是多方面的，根据研究目的可分为处理因素和非处理因素二类。处理因素（治疗因素）是指研究者根据研究目的所确定的可通过合理安排实验，科学考察其作用大小的因素，例如药物的种类、剂量，浓度,作用时间等。非处理因素是指对正确评价处理因素的作用有一定干扰，但研究者并不想通过实验考察其作用大小的因素，例如，病人的病情、病程等。㈠处理因素(studyfactor，treatment)四、实验设计的基本要素

实验过程中影响实验结果的因素是多方面的，根据研究目的可分为处10例：药剂、手术方法、毒物抓住主要处理因素区分处理与非处理因素处理因素必须标准化四、实验设计的基本要素

选择处理因素应遵循以下基本原则：㈠处理因素(studyfactor，treatment)例：药剂、手术方法、毒物四、实验设计的基本要素选择处理因素111、要抓实验中的主要因素

研究者不可能通过一次或几次实验把已知的和未知的所有因素都进行研究与分析，只能抓主要因素。例如，我们要改进某种细胞的培养方法，与其有关的因素很多，如温度，pH值，培养液,培养时间等。其中每个因素又分若干水平（或等级），如温度从34℃至38℃，每1℃为一个水平，则有5个水平；pH值从6.5至7.4，每0.1为一个水平，则有10个水平；培养液有2个水平；培养时间有2个水平时，须做5×10×2×2＝200种条件的实验。如温度从34℃至38℃，每2℃为一个水平，则有3个水平；pH值从6.5至7.4，有3个水平；培养液有2个水平；培养时间有1个水平时，须做3×3×2×1＝18种条件的实验。四、实验设计的基本要素

㈠处理因素(studyfactor，treatment)1、要抓实验中的主要因素四、实验设计的基本要素㈠处122、要分清处理因素和非处理因素

例如，研究药物治疗加饮食疗法治疗糖尿病的效果时，处理因素为药物治疗加饮食疗法；而合理的作息时间、运动和其它辅助治疗措施也能缓解症状，有助于康复，但不是本次研究的处理因素，而是非处理因素。研究者应采取各种措施，尽可能使非处理因素在所比较的各组中基本相同，以便充分显示处理因素的作用。四、实验设计的基本要素

㈠处理因素(studyfactor，treatment)2、要分清处理因素和非处理因素四、实验设计的基本要素㈠133、处理因素必须标准化

处理因素标准化就是如何保证处理因素在整个实验过程中始终如一，保持不变。如在进行药物疗效的试验观察中，所使用药物的批号、药品标准等在整个试验过程中必须一致。实验设计时，必须制定处理因素标准化的具体措施和方法。四、实验设计的基本要素

㈠处理因素(studyfactor，treatment)3、处理因素必须标准化四、实验设计的基本要素㈠处理因素14动物的选择：种类、品系、年龄、体重、窝别、营养……病例的选择：纳入标准、剔除标准四、实验设计的基本要素

医学研究的受试对象有人和动物，受试对象根据研究目的而定。例如新药疗效的观察，一般是先通过动物实验初步观察其疗效和副作用，然后再作临床观察，以确定其疗效和副作用。有些实验则可直接以人作受试对象，如生理、生化正常值的测定等。㈡

受试对象(studysubjects)动物的选择：种类、品系、年龄、体重、窝别、营养……四、实验设15选择受试对象应遵循以下基本原则：

1.动物的选择实验研究中，要根据研究目的选择动物类型。2.病例的选择临床试验中，由于受试对象是人，病例的选择须遵循医德要求，还必须明确病例的纳入和排除标准。㈡

受试对象(studysubjects)四、实验设计的基本要素

选择受试对象应遵循以下基本原则：1.动物的选择㈡

受试16通过某些观察指标，定量或定性地反映实验效应。研究者应当对欲研究的问题有较为全面的了解，避免在实验设计时遗漏重要的观察指标。四、实验设计的基本要素

㈢

实验效应(experimentaleffect)处理因素作用于受试对象的结果，通过观察指标表达。观察指标应客观、精确、灵敏、特异。通过某些观察指标，定量或定性地反映实验效应。四、实验设计的基17㈢

实验效应(experimentaleffect)1.

客观性：尽可能选择客观指标。有时，客观指标也存在判断的主观性问题，如X射线胸片是客观的，但判断时存在主观性问题，所以，对于这种情况，须制定明确的判断标准。2.精确性：

准确度(accuracy)或真实性（validity）：观察值与真值的接近程度，受系统误差的影响(如灵敏度、特异度)。

精密度(precision)或可靠性（reliabiliy）或重复性（repeatability）：重复观察时观察值与其均值的接近程度，受随机误差的影响（如一致百分率、Kappa值）。四、实验设计的基本要素

㈢

实验效应(experimentaleffect)118㈢

实验效应(experimentaleffect)四、实验设计的基本要素

㈢

实验效应(experimentaleffect)四19（3）灵敏性应尽量选择高灵敏性的指标，即选择高灵敏性的方法对观察指标进行测量。灵敏度高的方法，往往费用昂贵，应根据实验经费，选择既相对廉价，灵敏度又高的测量方法。（4）特异性为了更好地揭示研究问题的本质，观察指标还应具备一定的特异性。例如，在诊断糖尿病时，测定血糖的特异性就比测定尿糖的特异性要高。实验效应指标应当同时兼顾其灵敏性和特异性，尽量使灵敏性和特异性都高。四、实验设计的基本要素

㈢

实验效应(experimentaleffect)（3）灵敏性四、实验设计的基本要素㈢

实验效应(exp20指标的观察（1）对试验效应的观察应避免偏倚选择性偏倚：由于对受试对象的纳入和排除标准不明确造成的偏倚。测量性偏倚：由于观察者或受试对象的主客观原因造成对试验效应指标观察或测量时产生的偏倚。混杂性偏倚：在临床试验总结分析阶段，非处理因素对试验效应的准确性产生的影响造成的偏倚。（2）应注意处理与效应的关系处理与效应之间往往存在一定关系，特别是药理或毒理实验研究中，处理与效应通常呈“S”型，低于某剂量的处理不引起机体反应；强处理时，机体反应出现一个峰值；再加强处理机体反应不再增加。在两个极值之间存在一个正比关系。因此，实验设计时应通过预实验选择合适的实验剂量。㈢

实验效应(experimentaleffect)四、实验设计的基本要素

指标的观察（1）对试验效应的观察应避免偏倚㈢

实验效应(21（一）对照（control）（二）随机（randomization）（三）重复（replication）（四）均衡（equilibrium

）五、实验设计的基本原则

实验设计的基本原则

－－对照、随机、重复、均衡（一）对照（control）五、实验设计的基本原则实验设计22有比较才有鉴别，比较的基础就是对照。设立“对照”正确与否，关系到科研结论的正确性及成果价值。设立对照具有极其重要的意义：使实验组和对照组内的非处理因素的基本一致，使处理因素的效应得以显露；排除或控制自然变化和非处理因素对观察结果的影响；消除或减少实验误差。五、实验设计的基本原则

（一）

对照(control)的原则有比较才有鉴别，比较的基础就是对照。设立“对照”正确与否，关23（一）

对照(control)的原则①区分处理因素与非处理因素的效应，是比较的必要基础

药物治疗例:老年性慢性支气管炎气候转暖,自然缓解②消除和减少实验误差处理组：对照组：比较结果处理因素非处理因素+处理效应+非处理效应非处理因素非处理效应处理因素处理效应五、实验设计的基本原则

对照的意义（一）

对照(control)的原则①区分处理因素与非处理24处理效应+非处理效应（无）非处理效应处理因素+非处理因素（无）非处理因素比较结果

处理因素处理效应

处理组对照组排除“非处理因素”的影响，从而衬托出“处理因素”的作用。（一）

对照(control)的原则五、实验设计的基本原则

处理效应+非处理效应处理因素+非处理因素比较结果处理因素25对照组设置时必须具备三个条件：专设任何一个对照组都是为相应的实验组专门设立的。不得借用文献上的记载或以往研究或其它研究的资料作为本研究的对照组。同步对照组与实验组设立之后，在整个研究进程中始终处于同一空间和同一时间。对等除研究因素外，对照组具备与实验组对等的一切因素。（一）

对照(control)的原则五、实验设计的基本原则

对照组设置时必须具备三个条件：专设任何一个对照组都是26包括：空白对照实验对照标准对照自身对照相互对照历史对照五、实验设计的基本原则

（一）

对照(control)的原则包括：空白对照五、实验设计的基本原则（一）

对照(con27

㈠空白对照(blankcontrol)：对照组不加任何处理因素。

例如：①实验组儿童接种疫苗，对照组儿童不接种疫苗。

②试剂空白、血样空白、无酶解空白、底物空白等。特点：简单易行，但容易引起心理差异，从而影响实验效应的测定。

——安慰剂对照(placebocontrol)（一）

对照(control)的原则五、实验设计的基本原则

㈠空白对照(blankcontrol)：对照组不加任何处28

㈡实验对照(experimentalcontrol)：施加基础实验条件（非处理因素）。含赖氨酸面包+非处理因素→赖氨酸效应

+面包效应+非处理因素效应

面包+非处理因素→面包效应+非处理因素效应赖氨酸赖氨酸效应非处理因素→+非处理因素效应（一）

对照(control)的原则五、实验设计的基本原则

㈡实验对照(experimentalcontr29

㈢

标准对照(standardcontrol)：以现有的标准或正常值作对照。

例①某种新的方法能否代替传统方法的研究；

②某病患者与正常人的某生理、生化指标是否相同。

——实验室应用较多（一）

对照(control)的原则五、实验设计的基本原则

㈢标准对照(standardcontrol)30

㈣

自身对照：在同一受试对象上进行特点：简单易行，使用广泛。但若试验前后某些环境或自身因素发生改变，并且会影响试验结果，就难以说明问题。

（一）

对照(control)的原则五、实验设计的基本原则

㈣自身对照：在同一受试对象上进行特点：（一）

31㈤相互对照：几个实验组互相对照例如：比较几种药物治疗同一疾病的疗效（一）

对照(control)的原则五、实验设计的基本原则

对照的形式㈤相互对照：几个实验组互相对照例如：比较几种药物治疗同一32㈥

历史对照：以过去的研究结果作对照。与本人或他人过去的研究结果作比较——不好！！！！！！（一）

对照(control)的原则五、实验设计的基本原则

对照的形式㈥历史对照：以过去的研究结果作对照。与本人或他人过去的研33随机抽样指被研究的样本是从总体中无规律地抽取出来的，且总体中每一个观察单位都有同等机会被抽取为样本成员的可能；在随机分配中，研究对象均有同等机会被分入试验各组中。随机化的意义在于：避免有意或无意夸大或缩小组间差别而使实验结果产生偏性；抽样研究的理论和统计分析方法都是以随机化为基础的，要求研究设计必须遵循随机化的原则。

（二）随机(randomization)

五、实验设计的基本原则

随机抽样指被研究的样本是从总体中无规律地抽取出来的，且总体中34（二）随机(randomization)随机化原则：随机≠“随便”,指每个受试对象以机会均等的原则随机地分配到试验组和对照组。目的是使各组非实验因素的条件均衡一致，以消除对实验结果的影响。实验设计的基本原则

（二）随机(randomization)随机化原则：随机≠“35随机与随意随机：random机会均等，客观性随意：aswill随主观意愿，主观性随机化分组，不仅能控制已知的混杂因素（非研究因素），而且还能控制未知的混杂因素。（二）随机(randomization)实验设计的基本原则

随机与随意随机：random机会均等，客观性（36随机的含义抽样随机－代表性每一个符合条件的研究对象被收入研究范畴的机会相同，即总体中每个个体有相同的机会被抽到样本中来。分组随机－均衡性

每个研究对象被分配到不同处理组的机会相同。实验顺序随机－平衡顺序或季节的影响每个研究对象先后接受处理的机会相同。（二）随机(randomization)实验设计的基本原则

随机的含义抽样随机－代表性（二）随机(randomizati37随机化的实施

随机化分配（randomizedallocation）方法：

随机数字表表内数字相互独立，全部数字无论从横行、纵行或斜向等各种顺序均呈随机状态。因此，使用时可从任何一个数字开始，按任意一个顺序录用。随机排列表随机排列表比随机数字表更有实用性。分别有n为10、20、30、40、50、100等不同自然数排列而成的6种随机排列表。rs是每行或每列数字与顺序的等级相关系数，rs越小表示数字排列随机化程度越好。实验设计的基本原则

（二）随机(randomization)随机化的实施随机化分配（randomizedall38随机化分组方法1.

随机数字表分组2.随机排列表分组3.

计算器或计算机实验设计的基本原则

（二）随机(randomization)随机化分组方法1.

随机数字表分组实验设计的基本原则（二39随机数字表分组例试将10头动物应用随机数字表分配到甲、乙两组。⑴按动物体重编号⑵从附表15的第21行，第21列往上查10个随机数⑶规定双号为甲组，单号为乙组⑷调整：再接着查一个“6”以内的随机数，以决定甲组中哪一号拨到乙组。本例查得随机数为4，将甲组第4个（5号）调到乙组。随机数字表分组例试将10头动物应用随机数字表分配到甲、乙40例:按完全随机设计方法将10只小鼠随机分配到甲、乙两组先将小鼠按体重由小到大编号；再从“随机数字表”中任意指定某行某列，如从第31行13列开始，向右抄录10个两位数的随机数字，依次录于小鼠编号下；按预先规定，将随机数字为奇数者分到甲组，偶数者分到乙组。分组情况如下：随机分组的结果是第4、6、7、10号小鼠被分到甲组，第1、2、3、5、8、9号小鼠被分到乙组。随机数字表分组例:按完全随机设计方法将10只小鼠随机分配到甲、乙两组随机分41例:按完全随机设计方法将15名患者随机分为甲,乙,丙3组。先按患者的就诊顺序编号；再从“随机数字表”中任意指定某行某列，如从第6行29列开始,向右录入15个两位数的随机数字，并依次列于各患者编号之下；最后将随机数字从小到大编秩后得序号R，并规定R：1~5者为甲组，6~10者为乙组，11~15者为丙组。结果如下：注意：①随机数字的位数不应小于n的位数，遇有相同的随机数字应舍去。②如果设计上需要各组例数不相等时，可利用R调整各组例数。③当n较大时（如n>100），可用计算机排列出随机数字的序号R。随机数字表分组例:按完全随机设计方法将15名患者随机分为甲,乙,丙3组。注42例:按完全随机设计方法将10只小鼠随机分配到甲、乙两组先将小鼠按体重由小到大编号；再从“随机排列表”中任意指定一行，如第3行，依次将0~9之间的随机数字录于小鼠编号下（遇9以上的数字应舍去）；按预先规定，将随机数字为奇数者分到甲组，偶数者分到乙组。分组情况如下：随机分组的结果是第1、4、6、8、9号小鼠被分到甲组；第2、3、5、7、10号小鼠被分到乙组。随机排列表分组例:按完全随机设计方法将10只小鼠随机分配到甲、乙两组随机分43例:按完全随机设计方法将15名患者随机分为甲,乙,丙3组先按患者的就诊顺序编号；再从附表“随机排列表”中任意指定一行，如第21行，依次将0~14之间的随机数字录于各患者编号下（遇14以上的数字应舍去）；按预先规定，将随机数字为0~4的患者分入甲组，5~9的患者分入乙组，10~14的患者分入丙组。结果如下：随机分组的结果是第4、6、8、11、15号患者分入甲组，第3、5、9、12、14号患者分入乙组，第1、2、7、10、13号患者分入丙组。随机排列表分组例:按完全随机设计方法将15名患者随机分为甲,乙,丙3组随机44计算(器)机随机化分组计算(器)机随机化分组45重复(replication)是指各处理组与对照组要有一定样本含量(samplesizes)。无限地增加样本含量，将加大实验规模，延长实验时间，浪费人力物力，反而增加系统误差出现的可能性。

样本含量不足，检验效能（Power，1－β）偏低，导致总体中本来具有的差异无法检验出来。（三）重复(replication)实验设计的基本原则

重复(replication)是指各处理组与对照组要有一定样46四个主要因素：

、1－