科研设计概述、实验设计课件

1实验-试验研究设计及常见问题

科研设计概述、实验设计

一种研究要最有效的实行，需要科学的设计方法，才能得出客观和有效的结论。1实验-试验研究设计及常见问题本次课程内容重点一、实验研究的对照问题二、样本例数及把握度（power）三、常用实验设计方案的选择1实验-试验研究设计及常见问题医学研究疾病的病因学、危险因素研究药物疗效或治疗方法比较研究疾病的现况、疾病的预后研究诊断方法试验研究应采用什么设计和如何设计？应如何控制研究误差和偏倚？数据采用回顾性（已有资料），还是重新收集数据？1实验-试验研究设计及常见问题研究设计类型

设计类型性质随机对照实验（试验）前瞻性队列研究前瞻性队列（或回顾队列）病例对照研究回顾性横断面调查研究横断面资料的叙述性报告回顾回答研究的问题，采用哪个设计？1实验-试验研究设计及常见问题实例例：一项“硝普钠、多巴胺、多巴酚丁胺联合治疗难治心力衰竭疗效”研究，对59例难治心力衰竭患者按血压高（A组）低（B组)分为2组，两组均在原始治疗基础是给予硝普钠、多巴胺、多巴酚丁胺联合治疗。结果：A组有效率为86.7％，B组有效率为65.5％，两组有效率比较p＜0.05。结论：1.硝普钠、多巴胺、多巴酚丁胺联合治疗难治心力衰竭有良好效果；2.血压高的患者比血压低的心衰控制效果好。1实验-试验研究设计及常见问题问题讨论问：

1.研究目的是多药联合治疗难治心力衰竭疗效”，结论成立吗？

2.该设计能否达到研究目的？主要的问题是什么？

3.文中A组有效率为86.7％，B组有效率为65.5％，两组有效率比较p＜0.05，回答什么问题？1实验-试验研究设计及常见问题

一、科研设计概述

医学研究设计类型：根据是否给予干预因素

观察性研究：描述性研究分析性研究类型实验性研究：动物实验研究临床试验研究现场人群试验研究

1实验-试验研究设计及常见问题实验研究（experimentalstudy）特点：研究者能主动对研究对象1）进行随机分组2）施加某种干预（处理）因素3)控制组间的条件，观察不同处理因素组间的实验效应。目的：了解干预（处理）是否有作用研究时序：先因-后果1实验-试验研究设计及常见问题

观察性研究（observationstudy

）观察性研究可以前瞻观察和回顾性观察。特点：研究者不能人为对研究对象施加某种干预措施或随机分组、控制某些影响因素对结果的影响，只是客观记录某因素存在与否对疾病的危害或转归情况。。例：了解吸烟组和不吸烟组人群患肺癌情况1实验-试验研究设计及常见问题研究设计的内容

（事先的计划）分专业设计和统计设计两部分。专业设计:

主要是选题，建立假说、确定研究对象、指标和实验技术方法等。统计设计:则是围绕专业设计，安排设计类型、估计样本大小、控制影响因素，如何显示实验结果。统计设计作用：保证结果科学性、可靠性和经济性。1实验-试验研究设计及常见问题二、实验研究(Experimentalstudy)实验研究设计的主要任务人为施加干预因素于受试对象，同时控制非实验因素的影响，显示干预（实验）因素的效果

。明确实验研究的三要素：实验因素实验对象实验效应1实验-试验研究设计及常见问题

根据研究目的确定实验因素

实验因素和水平实验因素是研究者需阐明因素，因素的分类称为水平。由实验水平数组成研究的处理组数。例实验因素水平温度20℃25℃

30℃用药试验药对照药1实验-试验研究设计及常见问题

实验对象或实验单位

实验对象：是实验因素的承受者，可以为动物、人或标本。

实验对象应有特点和条件：1.实验前应具有同质性和入选条件（纳入标准和排除标准）。2.对处理因素的反应，应具有敏感性。1实验-试验研究设计及常见问题

实验效应

根据实验因素作用机制，明确效应指标，指标应具有客观性和敏感性。实验效应或结局指标：一般确定1～2个主要效应指标，其他作为次要效应指标。主要效应指标有统计意义，说明处理有作用。（主要效应指标也是计算样本例数的依据）1实验-试验研究设计及常见问题明确和记录研究中的非处理因素影响实验结果的因素很多，包括：研究对象方面：人口特征（年龄，性别等）；基线特征(病程、严重程度、治疗前指标)研究者方面：对象的选择和分配实施阶段：观察指标的测量方法研究对象：失访或不依从。系统误差或偏倚影响因素或非处理因素1实验-试验研究设计及常见问题实验研究设计原理

设计目的：消除或减少非处理因素作用，显示处理效应。试验组T，对照组C，e=试验效应试验结果

T（处理组）S1（非处理）e1+s1C（对照组）S2（非处理）e2+s2要求：理论上S1=S2统计分析：处理效应：差值d=（e1+s1）-（e2+s2）1实验-试验研究设计及常见问题

为得到恰当实验效应，对照设置要求:(1)专设；(2)同步或平行；(3)条件对等

实验研究应遵循原则对照、随机、重复三原则（一）设立对照组（controlgroup）目的：①抵消非处理因素作用，显示处理效应。②处理因素效应的大小相对对照组而言。1实验-试验研究设计及常见问题对照的类型和目的

对照的类型正常对照模型对照剂量对照自身对照安慰剂对照阳性（药物、方法）对照

比较的目的实验因素是否有效？实验因素是否优于阳性对照？或等效于阳性对照?1实验-试验研究设计及常见问题实验研究目的和注意问题剂量探索实验：剂量的设置应包括0、低、中、高剂量。说明指标随剂量变化。时间点探索实验：应包括基线（0点）和不同时间点。说明指标随时间的变化。干预因素实验：应同时设置阳性对照和正常对照，说明效应变化的程度。造模实验：自备的动物模型实验，应设置正常对照，说明模型是否成功。1实验-试验研究设计及常见问题实验研究的对照设置（可设置多个对照）例：40只动物随机分为4组（每组10只），其中3组建立为某疾病动物模型。各组给予的处理：正常对照（给予生理盐水）模型组（给予生理盐水）实验组（给予实验药物某剂量）阳性对照组（给予某阳性对照药）或实验组药物分低剂量、中剂量、高剂量进行剂量探讨。1实验-试验研究设计及常见问题对照组的问题18只动物随机分3组，假手术组，模型组（某疾病），模型药物组。模型组和给药组分别在2小时和24小时测定血中ALT指标。结果如下：假手术组模型组模型组给药组给药组2h24h2h24h数据1数据1数据2数据2数据3数据3均数28.6739.3312635.5681实验-试验研究设计及常见问题如果做统计分析

组别均数

假手术组（0h）28.67

模型组（2h）39.33

模型组（24h）126.0

给药组（2h）35.0

给药组（24h）68.0

组间可比吗？缺少阳性对照。1实验-试验研究设计及常见问题补充基线后的结果模型组药物组正常组1实验-试验研究设计及常见问题不同剂量辐射后第3d、40d大鼠体重情况

组别体重(g)用药3d用药40d模型组281.76±9.10**361.78±23.61*低剂量组283.19±10.75**360.44±15.73**中剂量组279.46±11.60**365.83±22.11*高剂量组288.79±8.58**375.79±18.55假照射组302.86±9.81385.19±17.58*p<0.05vs假照射组；**p<0.01vs假照射组这个设计有问题？设置对照组全面吗？统计分析应与那组比？1实验-试验研究设计及常见问题

茵陈蒿汤对肝硬化大鼠模型肝功能的影响GroupALT（U/L）AST（U/L）正常组34.43±13.7872.78±9.44模型2W60.33±7.31**82.55±9.42**模型4W88.99±17.95**△△137.43±12.81**模型6W56.51±13.97**122.21±16.41**茵陈蒿汤组

39.89±17.23△89.53±16.64△△小柴胡汤

49.16±15.88121.98±24.94**p﹤0.01，vs.Normalcontrol；△

p﹤0.05，△△

p﹤0.01,vs.6W

1实验-试验研究设计及常见问题（二）重复原则和样本含量估计

重复的意义：实验研究应有一定数量重复数。避免把个体结果认为普遍规律，同时估计实验误差。重复原则概念：在相同实验条件下，不同受试者独立接受某实验处理。不同受试者重复次数为样本含量。样本例数估计方法

1.经验估计（来自文献，前人经验，常规量）

2.统计公式估计样本例数。1实验-试验研究设计及常见问题例：用３种不同剂量毫米波辐射小鼠后，观察小鼠肝细胞超微结构的变化，对同一小鼠的肝制成5张切片观察肝细胞超微结构。共观察了15只小鼠的75张切片。

本研究的实验对象是哪个？本研究的总样本含量（重复数）是多少？比较３种处理间的差异应在什么对象间比较？目前的样本含量是否能得到有差异？1实验-试验研究设计及常见问题

统计检验与样本例数的关系

1.指标差值(δ)=μ1－μ22.指标变异(σ)大小3.tα(检验水准α=0.05)

或假阳性率。4.样本例数（n）统计检验（t）与有统计意义（p）的相关因素

1实验-试验研究设计及常见问题公式法样本例数确定需要的参数估计

1.比较组差值（δ）＝实验组均数－对照组均数

2.犯1型错误概率（检验水准α=0.05）

3.把握度（1－β）：β为犯Ⅱ型错误的概率。

4.研究指标变异（标准差σ）。

信息：变异或差值信息来自文献或预实验。1实验-试验研究设计及常见问题检验效能（power）c1实验-试验研究设计及常见问题检验效能（poweroftest）含义：如H1为真（两比较指标有差别），在给定的n和α和β条件下，统计检验能检验出两者有差别的概率。一般要求检验效能≥70％样本含量估计含义：按事先规定犯两型错误概率的前提下，估计需要的最少例数。两样本均数比较的例数估计公式1实验-试验研究设计及常见问题两样本均数比较的样本例数估计例：一项关于降血压的临床试验随机分为新药组和常规药。如果新药比常规药平均降压高出0.8kpa可以考虑推广。据以往资料，个体降压的标准差为1.2kpa，如果检验水准＝0.05，检验效能为90％，估计研究的样本例数为多少？解：本例δ=0.8，σ=1.2，α=0.05，β=0.1本研究的检验假设：

H0：μ新=μ常规

H1：μ新＞μ常规（单侧）1实验-试验研究设计及常见问题样本例数估计公式正式研究每组样本例数至少为38例，共76例。一般再增加10-20％例数。该n的含义：各组用38例时，统计检验在α＝0.05检验水准，有90%的把握度查出两组的差别。1实验-试验研究设计及常见问题检验效能（poweroftest）估计例：某医院用新药和常规药治疗婴幼儿贫血，20名贫血患儿随机分成两组，测得血红蛋白增加量如下，问两组疗效有无差别？

新药组n=10

常规组n=10

经统计检验：问题：此结果是假阴性结果或是新药不比常规药更优？检验效能为多少？1实验-试验研究设计及常见问题SAS软件计算Group1Mean=23.6Group2Mean=20.9δ=2.7StandardDeviation=5Alpha=0.052-SidedTest

N检验效能检验效能

Nt值100.2080.700442.13200.3830.800552.39300.5380.900742.77400.664

各组至少要44例时，有70%的把握检验出二者差别1实验-试验研究设计及常见问题关于样本例数的问题

目前医学期刊上发表的研究论文，绝大多数没有在试验前进行样本量估计。问题：如果两个指标确实有差别，样本例数少时，可能得到P>0.05结果，得到假阴性的结果。尽管有的研究的p＜0.05（0.048）.重复实验结果有统计意义的可能性低。应报告检验效能(power)。1实验-试验研究设计及常见问题(三)研究对象的随机化分组

随机化分组受试对象以同等机会别分到实验或对照。目的：使对比组之间基线均衡可比,是减少选择对象偏倚的最佳方法。真正的随机化应符合下列原则:

研究者和受试对象不能事先知道将分配到哪组,也不能推测下个对象将分配的组。1实验-试验研究设计及常见问题实验研究的随机化方法

（应事先确定样本例数）

完全随机化分组（简单随机分组，对研究对象无限制）配对或区组随机化分组（事先确定配对或区组对象）1实验-试验研究设计及常见问题

随机化分组方法：主要通过随机数来实现。

获得随机数的方法：1.随机数字表（统计教材后附表），适用小样本实验的分组。2.计算机的软件产生随机数，适合大样本分组。优点是方便和可重现。1实验-试验研究设计及常见问题1.完全随机化分组（简单随机化方法）

例：动物20只分为4组，按体重（影响因素）编号编号12345678910随机数41829899237742602291序号R91619205151011417编号1112131415

1617181920随机数683692

34020667300370序号R138187131262

14

将随机数排序（R），规定R为1-5为A组，6-10为B组，11-15为C组，１6-２0为Ｄ组。1实验-试验研究设计及常见问题

2.配对设计的随机分组方法

(C:对照组,T:实验组)雌鼠（按体重配对）配对对子12345678910随机数3868903495048889695随机数排序1221121221组别CTTCCTCTTC特点：在每个对子（区组）内简单随机化分组。随机方法同前。1实验-试验研究设计及常见问题

三、

实验设计类型

选择合理实验设计类型,控制实验误差，达到高效、经济的优化目的。1.应根据实验因素的多少和目的，确定采用单因素或多因素实验设计方案。2.根据需控制的重要非实验因素或研究对象（动物或人），以及实施时的可操作性，选择实验设计类型。3.不同设计类型对应相应的统计分析方法1实验-试验研究设计及常见问题

实验因素个数单因素实验：指实验中研究对象被干预的因素只有一个，因素包括g（g≥2）个水平，目的：分析不同水平对实验结果是否有差别。多因素实验：指实验中研究对象被干预的因素不只一个，各因素的水平为≥2，可分析某因素不同水平的结果有无差别，分析多因素对实验结果有无交互作用。1实验-试验研究设计及常见问题例：研究一种降血脂新药的临床疗效研究对象：高血脂病人处理因素：降血脂药因素水平：服降血脂新药分为2.4g组，

4.8g组，7.2g组，安慰剂组试验效应指标：低密度脂蛋白特点：每个研究对象只接受该处理的一个水平。1实验-试验研究设计及常见问题两因素实验例：研究蛋白含量因素（A）和脂肪含量因素（B）缺乏时对大鼠营养状况的联合作用。因素（A）分为正常（a1）和缺乏（a2）组，因素（B）分为正常（b1）和缺乏（b2）组。16只大鼠随机分为4组，试验结果如下。

4种处理组某营养指标结果

a1b1a1b2a2b1a2b215182025212328372528193532352640

1实验-试验研究设计及常见问题

常用实验设计方法单因素实验设计

使用对象数误差控制1.完全随机分组设计多多低2.随机配对或区组设计较多较少优于上者3.拉丁方设计少少优于上者4.交叉设计少较少优于上者多因素实验设计

使用对象数1.析因设计较多多2.正交设计较多较少3.重复测量设计多较少回答问题:两个及以上因素及交互作用1实验-试验研究设计及常见问题1.完全随机化分组设计

（completelyrandomdesign）一组同质合格研究对象

随机化实验组对照组完全随机化分组方法特点：设计简单，易于实施。比较组≥2，各组例数可等或不等。局限性：样本量少时易出现组间影响因素不均衡。单因素实验设计1实验-试验研究设计及常见问题某药物对低密度脂蛋白测定结果（mmol/L）

对照组2.4g组4.8g组7.2g组

3.532.422.860.894.593.362.281.064.342.662.342.39.n303030303.432.722.701.97102.9181.4680.9458.99367.85233.00225.54132.13

单因素完全随机化分组设计1实验-试验研究设计及常见问题2.配对或区组实验设计

（异体配对组间比较）

将实验对象按一定条件配成对子或组成配伍组（block

），配对或配伍因素为影响结果的非处理因素。在各对子组（或区组）内随机分配处理水平的设计。配对设计：处理水平=2区组设计：区组内对象数=处理水平数共有n个对子或区组数1实验-试验研究设计及常见问题随机区组设计方案示意图受试对象按条件配对或配伍区组1区组2区组3区组n213随机化分组321123213区组内个对象数＝处理组数1实验-试验研究设计及常见问题

不同饲料大鼠肝中维生素A含量编号正常饲料缺乏维生素E差值1.1.07 0.740.332 0.600.72-0.123 0.900.540.364 1.190.965 1.140.986 1.130.817 1.040.758 0.920.53均数0.99880.7538差值均=0.2450配对差值t=4.208，SE=0.0582两均数比较t=2.735，SE=0.0896配对设计1实验-试验研究设计及常见问题医学实验研究下列情况适合采用配对设计同体配对设计：方法学比较、干预前后比较。异体配对设计：动物实验研究（试剂、动物模型贵、少）。优点：控制重要的影响因素，节约样本例数，统计检验效率高于完全随机分组。配对设计例数估计非配对设计例数估计1实验-试验研究设计及常见问题设计实例题目：研究不同剂量的重组人肿瘤坏死因子对伤口愈合的比较研究因素：肿瘤坏死因子因素的水平：5个剂量（0，25，50，100，200）实验对象：家兔实验效应指标：伤口愈合张力强度采用完全随机分组或区组设计如何设计？1实验-试验研究设计及常见问题

3.拉丁方设计

（Latin-squaredesign）

拉丁方是用拉丁字母排列安排为K×K方阵的实验设计。拉丁字母的个数代表某处理因素的水平数。例：

列

1231ABC

行2BCA3CAB

处理水平数=31实验-试验研究设计及常见问题是随机区组设计的扩展，通过行和列两个方向的区组，控制两个已知影响实验结果变异的因素，缩小实验误差，能更好提高统计检验效率。节约样本例数。比较适合实验对象为动物和标本。优点：1实验-试验研究设计及常见问题实验设计方法

行和列安排两个需控制的非处理因素。特点：处理的水平数=行数=列数，处理的每个水平在行或列中只出现一次。使用时：选择与处理因素水平数相等基本拉丁方表，可使用基本拉丁方或重新随机化分配处理。列

1231ABC

行2BCA3CAB

处理水平数=3的基本拉丁方表1实验-试验研究设计及常见问题研究不同剂量的重组人肿瘤坏死因子对伤口愈合的比较

研究的主要影响“伤口愈合张力强度”的因素1.不同试验的对象（家兔）2.不同部位的伤口实验设计安排：取家兔5只，在每只5个不同部位做切口（每只家兔切口部位相同）。采用5×5的基本拉丁方表，分配处理的剂量。1实验-试验研究设计及常见问题5×5基本拉丁方排列表行区组伤口部位（列区组）家兔编号123451ABCDE2BCDEA3CDEAB4DEABC5EABCD处理因素水平：用A，B，…E表示1实验-试验研究设计及常见问题例：家兔伤口用不同剂量的rh-TNF后的张力强度实验结果

伤口编号家兔编号12345小计

1A9.83B6.34C7.03D4.40E9.1843.482B3.75C7.52D7.64E5.51A7.6036.953C6.27D8.34E8.80A9.91B2.5542.504D5.54E3.86A5.55B7.88C5.9439.185E5.73A3.22B3.63C7.12D8.9028.60列小计38.4638.1839.8139.2736.651实验-试验研究设计及常见问题拉丁方设计的方差分析数据变异分解：

处理因素（不同剂量+误差)总变异行区组变异(家兔间+误差）列区组变异（不同部位+误差）误差变异（随机误差）

1实验-试验研究设计及常见问题

比较两种神经缝合方法（A）和在不同时间（B）对神经损伤轴突通过率（y）的情况。缝合方法：外膜缝合（A1），束膜缝合（A2）缝合时间：1月（B1），2月（B2）研究对象:20只家兔特点：两因素同时施加研究对象设计：析因设计研究实例1实验-试验研究设计及常见问题多因素实验设计

是各因素和各水平的全面组合试验研究。多个因素同时施加于研究对象。用途：比较各处理组合的效果，筛选最佳测定值。分析因素之间是否有交互效应。

当因素和水平多时，可采用正交设计。

2×2析因设计组合的处理数

A因素

B因素a1(低)a2(高)b1(低)a1b1a2b1b2(高)a1b2a2b2

4.析因设计（factorialdesign）1实验-试验研究设计及常见问题

1）将2×2析因设计组合成4个处理组2）采用完全（简单）随机化分组或随机区组将实验对象分配各处理水平组。3）每个处理组例数至少2例4）每组例数要相等统计分析方法：两因素的方差分析2×2的析因设计方法和统计分析方法

标准的实验设计

1实验-试验研究设计及常见问题

例11-1：比较两种神经缝合方法（A）和时间（B）对神经损伤轴突通过率（y）的情况。缝合方法：外膜缝合（A1），束膜缝合（A2）缝合时间：1月（B1），2月（B2）研究对象:用20只家兔设计方法20只家兔采用完全随机分组方法分为4组，分别给予4种处理，试验结果见表11-1.1实验-试验研究设计及常见问题表11-1家兔神经缝合后轴突通过率(%)

外膜缝合(A1)束膜缝合(A2)1月2月1月2月(a1b1)(a1b2)(a2b1)(a2b2)合计

1030105010302050407030705060506010303030

24442852120220140260740440011200480014400348001实验-试验研究设计及常见问题表11-5析因试验方差分析表变异来源SSdfMSFP处理组间26203主效应

A（方法）18011800.6>0.05B（时间）2420124208.07<0.05AB201200.07>0.05误差480016300总742019结论：不同时间对指标差别有统计意义1实验-试验研究设计及常见问题

两药对产妇分娩镇痛时间比较，寻找最佳镇痛时间的剂量

A药物剂量B药物剂量（ug）105115751.0mg8010595658085751251352.5mg11513012080901505.0mg8512065120180190

125100160515301实验-试验研究设计及常见问题结论：①A药不同剂量镇痛效果不同，②B药不同剂量镇痛效果不同，③AB药有交互作用，A为5mg，B为30ug时镇痛时间最长。1实验-试验研究设计及常见问题采用正交设计安排试验（略）例：研究雌螺产卵的最优条件，并考虑AB一阶交互作用。雌螺产卵条件因素与水平因素水平1水平2A温度（℃）525B含氧量（%）0.55.0C含水量（%）1030DPH值6.08.0全面组合实验有8个组合1实验-试验研究设计及常见问题6.重复测量数据的设计研究目的：比较不同处理因素随时间因素变化的研究设计。设计模式：时间（t）

A组0246

（周）N对象Baseline随机B组0246

（周）

两组在相同时间点测定