实验性科研设计课件

实验性科研设计温医环境公卫学院温医环境公卫学院 黄陈平黄陈平n 概念概念 指为揭示事物内在规律、特征或验证研究假设，对整个研究过程事先作出周密合理的安排。n 类型类型 1.调查设计调查设计 客观反映事物的实际情况，未施加任何干预措施。例如：拟调查了解和比较甲、乙两地环境条件对食管癌死亡率水平的影响。（1）研究因素两地环境条件，是客观存在的是客观存在的。（2）混杂因素两地性别、年龄构成等不同，在 调查时不能平衡调查时不能平衡。根据研究目的主动施加干预措施，并控制非处理因素。u 实验设计类型实验设计类型 (1)以实验动物为对象的动物实验设计动物实验设计 (2)以患者为对象的临床试验设计临床试验设计 (3)以某个地区人群为对象的社区干预试验设计社区干预试验设计。实验性科研设计p 实验设计的基本要素实验设计的基本要素p 实验设计的基本原则实验设计的基本原则p 样本含量的估计样本含量的估计p 常用实验设计方法常用实验设计方法实验性科研设计处理因素 受试对象 实验效应 1.处理因素处理因素 是根据研究目的而施加于受试对象，在实验中需要观察并阐明其效应的因素。例如：某种降压药降压药的疗效试验。u 根据处理因素情况，可分为单因素单因素和多因素多因素实验。同一因素可以有多个水平多个水平。实验性科研设计表表 11.3 不同吸烟量者尿中硫氰酸盐不同吸烟量者尿中硫氰酸盐（mg/L）不吸烟不吸烟12 支支/天天310 支支/天天10 支支/天天2.86.05.22.52.54.51.98.83.71.37.97.50.405.220.82.80.410.311.32.81.35.618.50.82.53.95.61.33.76.612.52.57.07.507.07.503.73.76.616.79.810.89.811.6ni 1281314R 144.5105.5381.5496.5实验性科研设计某医师用、和三种方案治疗婴幼儿贫血患某医师用、和三种方案治疗婴幼儿贫血患者，治疗一个月后，血红蛋白的增加克数如下表，问三者，治疗一个月后，血红蛋白的增加克数如下表，问三种治疗方案对婴幼儿贫血的疗效是否相同？种治疗方案对婴幼儿贫血的疗效是否相同？表表.三种方案治疗后血红蛋白增加量（）三种方案治疗后血红蛋白增加量（）24 20 20 36 18 11 25 17 6 14 10 3 26 19 0 34 24-1 23 4 5 合计合计 n n 7 6 8 21 j j 182 108 48 338 j j2 2 5054 2050 608 7712 X X 26 18 6 22.8 实验性科研设计 例：研究不同瘤株对蛇毒的反应，将四例：研究不同瘤株对蛇毒的反应，将四种瘤株匀浆接种小白鼠，一天后分别用种瘤株匀浆接种小白鼠，一天后分别用4种种不同的蛇毒成分，各取不同的蛇毒成分，各取4种不同浓度进行腹种不同浓度进行腹腔注射，每日一次，连续腔注射，每日一次，连续10天，停药一天，天，停药一天，解剖称瘤重。试作拉丁方设计。解剖称瘤重。试作拉丁方设计。实验瘤株实验瘤株4种种：肉瘤：肉瘤180，肝肉瘤，肝肉瘤，艾氏腹水瘤，网状细胞瘤。艾氏腹水瘤，网状细胞瘤。蛇毒成分蛇毒成分4种种：峰、峰、峰、峰、峰、峰、峰。峰。蛇毒浓度蛇毒浓度4种种：0.000mg/kg、0.030mg/kg、0.050mg/kg、0.075mg/kg。实验性科研设计 (1)抓住实验中的主要因素抓住实验中的主要因素 (2)找出重要的非处理因素找出重要的非处理因素 (3)处理因素必须标准化处理因素必须标准化实验性科研设计2.2.受试对象受试对象 主要是受试对象的选择问题。要求：对处理因素要敏感；反应要稳定。(1)(1)动物的选择动物的选择 应注意种类、品系、年龄、性别等(2)(2)病例的选择病例的选择 要考虑：1）对处理效应敏感的患者；2）处理措施对患者无害；3）规定适宜进入试验的患者（或对象）的标准。(3)(3)人的选择人的选择 (4)(4)其他：其他：细胞株、微生物等实验性科研设计 主要是指标的选择 (1)(1)客观性客观性 (2)(2)精确性精确性 准确度：观察值与真值的接近程度。精密度：观察值之间的离散程度。(3)(3)灵敏性灵敏性 (4)(4)特异性特异性实验性科研设计第二节第二节 实验设计的基本原则实验设计的基本原则n对照原则对照原则n均衡原则均衡原则n随机原则随机原则n重复原则重复原则在确定接受处理因素的实验组时，应同时设立对照组。意义意义:(1)鉴别处理因素与非处理因素的差异 处理组：T+S t+s 对照组：O+S o+s T:处理因素作用;t:处理因素效应;S:非处理因素作用;s:非处理因素效应 O:空白;o:无效应 (2)减少和消除实验误差实验性科研设计(1)对照组不施加任何处理因素。例：观察维生素例：观察维生素A的防癌作用，实验组的石的防癌作用，实验组的石棉矿工每天口服一定剂量的维生素棉矿工每天口服一定剂量的维生素A，对照组的，对照组的石棉矿工不服追踪观察一定时期后，比较两组石棉矿工不服追踪观察一定时期后，比较两组工人的癌症发生率。工人的癌症发生率。实验性科研设计 对照不施加处理因素，但施加某种与处理因素有关的实验因素。处理因素的施加需伴随其他因素时，若这些因素有可能影响实验结果，应设立实验对照，以保证组间的均衡性。例例：研究食物添加赖氨酸后的营养价值，实验组研究食物添加赖氨酸后的营养价值，实验组儿童的课间餐为加赖氨酸的面包，对照组为不加赖氨儿童的课间餐为加赖氨酸的面包，对照组为不加赖氨酸的面包。这里的实验因素是什么？酸的面包。这里的实验因素是什么？实验性科研设计 不设立专门的对照组，而是用现有的标准值或正常值作对照。因实验条件不一致，可比性较差，故不太常用。实验性科研设计 例例 据大量调查知，健康成年男子脉搏的据大量调查知，健康成年男子脉搏的均数为均数为72次次/分，某医师在山区随机调查了分，某医师在山区随机调查了25名健康男子，其脉搏均数为名健康男子，其脉搏均数为74.2次次/分，标准分，标准差为差为6.0次次/分，能否认为该山区成年男子的脉分，能否认为该山区成年男子的脉搏高于一般人群？搏高于一般人群？实验性科研设计 对照与实验在同一受试对象进行。矽肺患者克矽平治疗前后的血清粘蛋白矽肺患者克矽平治疗前后的血清粘蛋白（mg/L）患者号患者号治疗前治疗前治疗后治疗后16534273363733743026573436563777350实验性科研设计表 2.7 12 名妇女最大呼气率分别用两法测得的结果（L/min）被测者编号 Wright 法 Mini 法 1 490 525 2 397 415 3 512 508 4 401 444 5 470 500 6 415 460 7 431 390 8 429 432 9 420 420 10 275 227 11 165 268 12 421 443 自身对照简单易行，但若实验前后某些环境因素自身对照简单易行，但若实验前后某些环境因素或自身条件发生变化，并能影响实验结果，则自身对或自身条件发生变化，并能影响实验结果，则自身对照就难以说明问题。照就难以说明问题。例：例：1976年某单位报告了果胶驱铅的疗效观察。年某单位报告了果胶驱铅的疗效观察。30名铅中毒的工人脱离现场后住院治疗，治疗前测得名铅中毒的工人脱离现场后住院治疗，治疗前测得尿铅的均数为尿铅的均数为0.116mg/L，血铅均数为，血铅均数为1.81mg/L。服用服用20天后再测，尿铅均数降为天后再测，尿铅均数降为0.087mg/L，血铅，血铅均数降为均数降为0.73mg/L。说明果胶有较好的驱铅作用。说明果胶有较好的驱铅作用。实验性科研设计 几种处理（或水平）互为对照。表5.1 三种方案治疗后血红蛋白增加量（g/L）方案 X n A 24 36 25 14 26 34 23 7 B 20 18 17 10 19 24 6 C 20 11 6 3 0 -1 4 5 8实验性科研设计表表 11.3 不同吸烟量者尿中硫氰酸盐不同吸烟量者尿中硫氰酸盐（mg/L）不吸烟不吸烟12 支支/天天310 支支/天天10 支支/天天2.86.05.22.52.54.51.98.83.71.37.97.50.405.220.82.80.410.311.32.81.35.618.50.82.53.95.61.33.76.612.52.57.07.507.07.503.73.76.616.79.810.89.811.6实验性科研设计(6)对照组采用一种无药理作用的假药，它在药物剂型或处置上不能为受试者识别，称安慰剂安慰剂。该类对照常用于易受心理因素影响的试验，如研究镇静催眠药的疗效。实验性科研设计 实验组与对照组的除处理因素外其它因素要尽量一致。方法方法:(1)交叉均衡交叉均衡 在实验单元中设立实验组和对照组。例：例：欲研究某药对肠道传染病的预防效果，选择甲、乙两所幼儿园儿童各100名作为研究对象。该例应如何均衡设置实验组和对照组。实验性科研设计交 叉 均 衡 示 意 图实 验 组对 照 组5 0 人5 0 人甲 幼 儿 园（1 0 0 人）5 0 人5 0 人乙 幼 儿 园（1 0 0 人）实验性科研设计(2)分层均衡分层均衡 把非处理因素按接近原则分成若干层次，然后将同一层次的观察对象随机分配到各组。例例:观察两种化疗对某肿瘤的疗效，将患者按肿瘤大小、病理分级、有无转移等进行分层，然后，将同一层次的对象随机分到各组。实验性科研设计即样本抽样、观察对象的分组等要随机遇而定。u意义意义:(1)是统计推断的前提 (2)是提高组间均衡性的一个重要手段u方法方法:(1)随机抽样 (2)随机分组实验性科研设计随机抽样方法随机抽样方法1.单纯随机抽样单纯随机抽样2.系统（机械）随机抽样系统（机械）随机抽样3.整群随机抽样整群随机抽样4.分层随机抽样分层随机抽样实验性科研设计单纯随机抽样单纯随机抽样 即先将调查总体的全部观察单位编号，再随机抽取部分观察单位组成样本。例：欲了解某单位职工例：欲了解某单位职工HBsAg阳性率，该单阳性率，该单位有职工位有职工1000人，试按单纯随机抽样法，抽人，试按单纯随机抽样法，抽取一例数为取一例数为100的样本。的样本。实验性科研设计系统随机抽样系统随机抽样又称等距抽样或机械抽样，即先将总体的又称等距抽样或机械抽样，即先将总体的观察单位按某一顺序号等分成观察单位按某一顺序号等分成n个部分，再从个部分，再从第一部分随机抽第第一部分随机抽第k号观察单位，依次用相等间号观察单位，依次用相等间隔，机械地从每一部分各抽一个观察单位组成隔，机械地从每一部分各抽一个观察单位组成样本。样本。例：欲了解某单位职工例：欲了解某单位职工HBsAg阳性率，该单阳性率，该单位有职工位有职工1000人，试按系统抽样法，抽取一人，试按系统抽样法，抽取一例数为例数为100的样本。的样本。实验性科研设计整群随机抽样整群随机抽样 先将总体划分为先将总体划分为n n个群，每个群包括若干个群，每个群包括若干观察单位，再随机抽取观察单位，再随机抽取k k个群，并将被抽取的个群，并将被抽取的各个群的全部观察单位组成样本。各个群的全部观察单位组成样本。例：某校有例：某校有80个班级，各班学生个班级，各班学生50人，现人，现用锡克氏试验调查该校学生白喉易感率，用锡克氏试验调查该校学生白喉易感率，随机抽查了随机抽查了8个班的全部学生。个班的全部学生。实验性科研设计分层随机抽样分层随机抽样按有关影响因素把观察对象分成若干层次，按有关影响因素把观察对象分成若干层次，然后将同一层次的观察对象进行随机抽取。然后将同一层次的观察对象进行随机抽取。例：欲了解某地人群例：欲了解某地人群HBsAg阳性率情况，阳性率情况，按年龄段、职业、性别等因素分层后进行按年龄段、职业、性别等因素分层后进行抽样。抽样。(2)随机分配随机分配 随机排列表使用例例1.将10例患者随机分配到甲、乙两组,要求两组例数相同。将患者编号，随机指定表13-1的第4行，舍掉1019的随机数后排列，并对应偶数者分入甲组，奇数者进入乙组，结果如下：患者编号患者编号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 随机数字随机数字 6 1 5 4 0 7 8 3 9 2所属组别所属组别 甲 乙 乙 甲 甲 乙 甲 乙 乙 甲 例例2.将18只动物随机分成3组，每组6只。先动物编号,取随机排列表第1行,舍去0、19两个随机数后排列如下，事先规定16为甲组，712为乙组，1318为丙组。动物编号动物编号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18随机数字随机数字 8 6 13 5 18 12 1 4 3 9 2 17 14 11 7 16 15 10所属组别所属组别 乙 甲 丙 甲 丙 乙 甲 甲 甲 乙 甲 丙 丙 乙 乙 丙 丙 乙 问题：问题：现有40只动物，如何随机分成4组，每组10只？实验性科研设计例例13-7 16名受试者已编成 4个配伍组，即14号为第配伍组，58号为第配伍组，余类推。欲将每个配伍组的四个受试者分别给以A、B、C、D四种处理，请按随机区组原则进行分组。随机排列表，随机指定4行，如为第47行，每行只取随机数14，其余数舍去，依次标于各配伍组的受试者编号下。预先规定随机数字为1分入A处理组，为2分入B组，为3分入C组，为4分入D组。实验性科研设计 重复指试验例数的大小和重复次数的多重复指试验例数的大小和重复次数的多少（即样本含量）少（即样本含量）,要使试验的结果具有一定要使试验的结果具有一定的可靠性，应有一定的样本含量。的可靠性，应有一定的样本含量。实验性科研设计1.意义意义:样本含量大则浪费，过小，则检验效能偏低2.确定样本含量时应具备的条件确定样本含量时应具备的条件:(1)检验水准检验水准()即此次实验所允许犯第一类错误（拒绝了实际成立的H0）的概率。通常=0.05,要注明单侧或双侧。实验性科研设计实验性科研设计(2)检验效能检验效能(1-)即在特定的 水准下，若总体间确实存在着差别，此时，该次试验所能发现此差异的概率。通常取=0.1,单侧,(1-)不宜低于0.75,否则检验的结果很可能反映不出总体的真实差异,出现非真实的阴性结果(假阴性)。实验性科研设计(=12,或=12)即两总体参数相差或样本均数与总体均数相差所允许的限度。为实验精度指标，若相差超过此限度，就可被此次实验所发现。可用:1)预试验的结果；2)查阅相关文献的结果；3)专业上认为有意义的差别；4)0.25倍或0.5倍的标准差代替；常用预试验的样本标准差来估计实验性科研设计n 根据上述条件确定的样本含量的意义为根据上述条件确定的样本含量的意义为：若总体参数间确实相差若总体参数间确实相差，标准差为，标准差为，则预期有则预期有1 的概率，的概率，按按检验水准检验水准 得得出差别有统计学意义的结论。出差别有统计学意义的结论。(1)样本均数与总体均数比较（或配对比较）样本均数与总体均数比较（或配对比较）0nSXu Sn 2 usn考虑考虑、取值取值则：则：2)(suun2)(suun实验性科研设计例例13-1 据文献报道，男性四乙基铅中毒患者的平均脉搏为67次/分，标准差为5.97次/分，若按0.05（单侧单侧），0.10（单侧单侧）的概率，欲分析其与正常男性脉搏（72次/分）有无差别，至少需多少例病人？13 ,21.12597.5282.1645.12取取 n实验性科研设计(2)成组设计两样本均数比较（成组设计两样本均数比较（n1=n2）2212 Suunn）（取n1=n2，s1=s2，则：22 ,2 usnnsu考虑考虑、取值，则：取值，则：2212 Suunn）（实验性科研设计例例13-2 现拟用甲、乙两药治疗某病患者，以血沉为效应指标。预实验结果为：甲药可使病人血沉平均减慢3.2mm/h，标准差为1.93 mm/h；乙药可使病人血沉平均减慢5.0 mm/h，标准差为2.98 mm/h。为考核两药的疗效，问需观察多少病人？586.578.198.2282.196.12221 nn取0.05（双侧双侧），0.10（单侧单侧）实验性科研设计(3)成组设计两样本率比较（成组设计两样本率比较（n1=n2）2212 ppuun 式中n为两样本分别所需例数，=p1-p2，p为两样本合并率，p(p1p2)2 实验性科研设计)11)(1(2121nnppppu npp2)1()1(2ppn 2212 ppun 考虑考虑、取值，取值，2212 ppuun 例例13-3 比较两种化疗方法对淋巴系统肿瘤的疗效，估计两比较两种化疗方法对淋巴系统肿瘤的疗效，估计两种方法的缓解率分别为种方法的缓解率分别为15%和和50%，按，按0.05，0.1标标准，需治疗多少例病人？准，需治疗多少例病人？p(0.150.50)20.325 386.3750.015.0325.01325.02282.196.122 n 2212 ppuun 实验性科研设计1.完全随机设计（简单随机分组设计）完全随机设计（简单随机分组设计）例：某医生随机测得18例慢性支气管炎患者及16例健康人的尿17酮类固醇排出量（mg/dl）分别为X1和X2，试问两足组的均数有无不同。X1：3.14 5.83 7.35 4.62 4.05 5.08 4.98 4.22 4.35 2.35 2.89 2.16 5.55 5.94 4.40 5.35 3.80 4.12 X2：4.12 7.89 3.24 6.36 3.48 6.74 4.67 7.38 4.95 4.08 5.34 4.27 6.54 4.62 5.92 5.18实验性科研设计2.配对设计配对设计同源配对异源配对表 2.7 12 名妇女最大呼气率分别用两法测得的结果（L/min）被测者编号 Wright 法 Mini 法 1 490 525 2 397 415 3 512 508 4 401 444 5 470 500 6 415 460 7 431 390 8 429 432 9 420 420 10 275 227 11 165 268 12 421 4433.随机区组设计（配伍组设计）随机区组设计（配伍组设计）可看作配对设计的扩大 下例把24名贫血患儿按年龄及贫血程度分成8个区组。表 5.3 三种方法治疗后血红蛋白增加量（g/L）区组 A 疗法 B 疗法 C 疗法 1 16 18 18 2 15 16 20 3 19 27 35 4 13 13 23 5 11 14 17 6 10 8 12 7 5 3 8 8 -2 -2 34.交叉设计交叉设计特殊的自身对照设计，首先将条件相近的观察对象配对，再用随机分配的方法决定其中之一先采用处理方法A，然后是处理B；另一研究对象秩序则相反。例例 4.3 现有现有 7 对对（14 例）患者，请将他们按交叉设计的要求例）患者，请将他们按交叉设计的要求进行进行 A、B 良种处理方式的随机分配。良种处理方式的随机分配。受试者号受试者号 1.1 1.2 2.1 2.2 3.1 3.2 4.1 4.2 5.1 5.2 6.1 6.2 7.1 7.2 8.1 8.2随机数字随机数字 9 3 0 2 1 5 8 6处理顺序处理顺序 AB BA AB BA BA AB BA AB AB BA AB BA BA AB BA AB实验性科研设计n 优点优点:(1)节约样本含量 (2)能够控制时间及个体差异时处理方式的影响 (3)每个试验对象同时接受试验因素和对照，比较合理n注意注意 (1)两种处理互不影响,合理间隔 (2)不适用急性病治疗效果的研究 (3)应采用盲法实验性科研设计5.盲法设计盲法设计u单盲法：单盲法：受试者不知道自己接受何种处理，但执行者知道；u双盲法：双盲法：是受试者和执行执行者都不知道分组情况和接受何种处理。6.其他实验设计方法：其他实验设计方法：析因设计、拉丁方设计、正交设计等。实验性科研设计 是将两个或多个因素的各个水平进行排列排列组合，交叉分组组合，交叉分组进行试验，检验各因素各水平之间的差异有无统计学意义，而且可以检验因素间的交互作用。实验性科研设计 最简单的析因设计为最简单的析因设计为2 2析因设计，其析因设计，其设计模型为：设计模型为：B因素因素 不用 用a1b1a1b2a2b1a2b2A因素因素 不用 用实验性科研设计例例5.5 A、B两药治疗两药治疗12名贫血病人，性别、年龄一名贫血病人，性别、年龄一致，随机分成四组，治疗后一个月测得血中红细胞增致，随机分成四组，治疗后一个月测得血中红细胞增加数结果如下表，加数结果如下表，A、B两药的治疗效果如何？两药两药的治疗效果如何？两药是否存在交互效应？是否存在交互效应？表表 5.12 A、B 两两 药药 治治 疗疗 后后 病病 人人 红红 细细 胞胞 增增 加加 数数（1012/L）A 药药B 药药A+B 药药不不 用用 药药1.30.92.10.81.21.12.20.91.11.02.00.7合合 计计 3.63.06.32.415.3N333312X1.21.02.10.81.275实验性科研设计 例在小学生的课间餐面包中添加赖氨酸，以研例在小学生的课间餐面包中添加赖氨酸，以研究其对儿童体重和身高增长的影响，拟分析赖氨酸添究其对儿童体重和身高增长的影响，拟分析赖氨酸添加的最佳浓度和面包烤制的最佳条件。赖氨酸的浓度加的最佳浓度和面包烤制的最佳条件。赖氨酸的浓度有五个水平：有五个水平：0.0%，0.2%，0.4%，0.6%，0.8%，面包烤制条件有两个水平：甲和乙，请作析因设计。面包烤制条件有两个水平：甲和乙，请作析因设计。这是个这是个52析因设计。析因设计。实验性科研设计赖氨酸添加浓度（赖氨酸添加浓度（B）0.0（B1）0.2（B2）0.4（B3）0.6（B4）0.8（B5）面包烤制面包烤制 甲（甲（A1）A1B1 A1B2 A1B3 A1B4 A1B5 条件（条件（A）乙（乙（A2）A2B1 A2B2 A2B3 A2B4 A2B5 然后用随机方法把小学生分配到然后用随机方法把小学生分配到10个组内，分个组内，分别给予一定浓度赖氨酸及烤制条件的面包。别给予一定浓度赖氨酸及烤制条件的面包。问题：问题：23（22 2）析因设计如何进行分组？）析因设计如何进行分组？实验性科研设计7.其他实验设计方法：其他实验设计方法：拉丁方设计、正交设计、裂区设计、重复测量设计等。例例、欲比较欲比较A、B两药抗高血压是疗效，把用药后舒张压下两药抗高血压是疗效，把用药后舒张压下 降程度作为疗效的观察指标。请你完成下列步骤：降程度作为疗效的观察指标。请你完成下列步骤：1、进行样本含量的估计。、进行样本含量的估计。取=0.05（双侧），=0.10（单侧），及或其估计值可从下列资料中根据自己的理解作出适宜的选择。1）查阅相关专业文献，（XA XB）波动在5-8 mmHg之间，SA或SB波动在3-5 mmHg范围内。2）进行预试验，得XA=10 mmHg，XB=16 mmHg，S=5 mmHg。3）从专业角度而言，两药降压作用若有差别，至少相差要5 mmHg，通常S=4 mmHg。2、在作出样本含量估计后，随机均衡地把所需的高血压患、在作出样本含量估计后，随机均衡地把所需的高血压患者分到各组（要求利用随机排列表）。者分到各组（要求利用随机排列表）。3、对上述试验结果进行统计分析，宜选用何种统计检验方、对上述试验结果进行统计分析，宜选用何种统计检验方法法？实验性科研设计实验性科研设计(2)随机分配随机分配 随机排列表使用 P.365随机数字随机数字 6 1 5 4 0 7 8 3 9 2