医学统计学实验设计基本原则课件

医学统计学实验设计基本原则医学统计学实验设计基本原则医学统计学实验设计基本原则医学统计主要内容1.研究设计的意义研究设计的意义2.实验设计的基本原则实验设计的基本原则3.实验设计实验设计4.常用的几种实验设计方法常用的几种实验设计方法5.调查设计调查设计 2主要内容1.研究设计的意义2实验设计简介1935年,Fisher 系 介 研究，首次提出研究设计的基本原则。The Design of Experiments.RA Fisher(18901962)R.A.Fisher(1925)系介近代学方法The Statistical Methods for Research Workers3实验设计简介1935年,Fisher 系统介绍研究设计，首次1.1 研究的究的意 (1)合理安排因素安排因素，提高提高研究量究量。如定的条件如定的条件，配配 置适当的照当的照，选 研究方法等究方法等。(2)控制差控制差，使研究果保究果保持好的定性好的定性。如混因素的如混因素的处理，不同来源来源异的的 分析析，必要的均衡性等必要的均衡性等。(3)用用 少的察例数的察例数，取尽可能丰富的信息取尽可能丰富的信息。如如 采采 用用 定定 量量 指标，选 性性 或非非 性性 回回 分析析，使用用 高高 效效 率率 创造造 条条件等件等。41.1 研究设计的意义(1)合理安排试验因素，提高研调查（调查（survey）实验实验 (experiment)昆明最好的癫痫病医院昆明最好的癫痫病医院 昆明治疗癫痫病专科医院昆明治疗癫痫病专科医院 昆明最好的癫痫病医院昆明最好的癫痫病医院 昆明治疗癫痫病医院昆明治疗癫痫病医院 1.2 研究设计的类型研究设计的类型 5调查（survey）1.2 研究设计的类型 5基本原则之一：对照基本原则之一：对照基本原则之二：随机基本原则之二：随机基本原则之三：重复基本原则之三：重复2.的基本原的基本原则6基本原则之一：对照2.实验设计的基本原则6研究设计的基本原则研究设计的基本原则对照对照(control)随机随机(randomization)重复重复(replication)对照的作用对照的作用对照的种类对照的种类对照组形式对照组形式随机化的作用随机化的作用随机的含义随机的含义分层随机、分段随机分层随机、分段随机重复的作用重复的作用重复的次数重复的次数7研究设计的基本原则对照(control)对照的作用随机化的作2.1 基本原基本原则之之 一：照照(control)均衡性均衡性(1)对等对等 除处理因素外，对照组具备及实除处理因素外，对照组具备及实验组对等的一切非处理因素。验组对等的一切非处理因素。(2)同步同步 对照组及实验组设立之后，在整对照组及实验组设立之后，在整个研究进程中始终处于同一空间个研究进程中始终处于同一空间和同一时间。和同一时间。(3)专设专设 任何一个对照组都是为相应的实任何一个对照组都是为相应的实验组专门设立的。不得借用文献验组专门设立的。不得借用文献上的记载或以往的结果或其它研上的记载或以往的结果或其它研究的资料作为本研究之对照。究的资料作为本研究之对照。82.1 基本原则之一：对照(control)均衡性8意义意义意义意义(1)(1)消除干扰因素的影响；消除干扰因素的影响；(2)(2)给一个被比较的标准，使处理因素和非处给一个被比较的标准，使处理因素和非处理因素的差异有一个科学的对比。理因素的差异有一个科学的对比。对照组的作用对照组的作用9意义(1)消除干扰因素的影响；对照组的作用9对照组的作用对照组的作用处理 处理因素+非 处理因素 处理效+非 处理效照 (无)非 处理因素 (无)非 处理效比果 处理因素 处理效排除“非 处理因素”的影响，从 而托出“处理因素”的作用。10对照组的作用10对照组的作用对照组的作用 处理 处理因素+非 处理因素 处理效+非 处理效 比果 非处理因素非处理因素 处理因素处理因素 非处理效应非处理效应处理效应处理效应11对照组的作用非处理因素 处理因素 非处理效应处理效应11常用对照种类：常用对照种类：常用对照种类：常用对照种类：（1 1）空白对照）空白对照 对照组不施加任何处理因素对照组不施加任何处理因素（2 2）实验对照）实验对照 对照组不施加处理因素，但施加某种实验因素。对照组不施加处理因素，但施加某种实验因素。（3 3）标准对照）标准对照 不设立专门的对照组，而是用现有标准值不设立专门的对照组，而是用现有标准值/正常值正常值作对照。实验研究一般不用标准对照，因为实验条件作对照。实验研究一般不用标准对照，因为实验条件不一致。不一致。12常用对照种类：（1）空白对照12（4 4）自身对照）自身对照 对照及实验在同一受试者身上进行对照及实验在同一受试者身上进行（5 5）相互对照）相互对照 各各实实验验组组间间互互为为对对照照，如如比比较较新新药药及及旧旧药药的疗效的疗效（6 6）历史对照）历史对照 以以本本人人过过去去的的研研究究/他他人人研研究究结结果果及及本本次次研究结果作对照研究结果作对照13（4）自身对照132.2 基本原基本原则之二之二：随机随机(random)客观性客观性(1)抽样随机抽样随机 每一个符合条件的实验对象参每一个符合条件的实验对象参加实验的机会相同，即总体中加实验的机会相同，即总体中每个个体有相同的机会被抽到每个个体有相同的机会被抽到样本中来；样本中来；(2)分组随机分组随机 每个实验对象分配到不同处理每个实验对象分配到不同处理组的机会相同；组的机会相同；(3)实验顺序随机实验顺序随机 每个实验对象接受处理先每个实验对象接受处理先后的机会相同。后的机会相同。142.2 基本原则之二：随机(random)客观性14随机及随意随机：随机：random 机会均等，机会均等，客观性客观性随意：随意：as will 随主观意愿，主观性随主观意愿，主观性随机化分组，不仅能控制已知的混杂因素随机化分组，不仅能控制已知的混杂因素(非研究因素非研究因素)，而且还能控制未知的混杂，而且还能控制未知的混杂因素。因素。15随机及随意随机：random 机会均等，客观性1简单随机随机分组随机排列分层随机随机的方法16简单随机随机的方法16(1)(2)(3)(4)(5)(6)(7)(8)(9)(10)简单随机分组示意136 643 557 604 384 708 218 061 555 871136 643 557 604 384 708 218 061 555 871ABBBABAAAB(1)(2)(3)(4)(5)(6)(7)(8)(9)(10)A组B组17(1)(2)(3)(4)(5)(6)随机排列示意(1)(2)(3)(4)(5)(6)(7)(8)(9)(10)136 643 557 604 384 708 218 061 555 871排列排列(8)(1)(7)(5)(9)(3)(4)(2)(6)(10)18随机排列示意(1)(2)(3)(4)(5)(6)2.3 基本原基本原则之之 三：重重 复(repeated)可靠性可靠性(1)整个实验的重复。整个实验的重复。确保实验的重现性，以提高实验的可靠确保实验的重现性，以提高实验的可靠性；性；(2)用多个实验单位进行重复用多个实验单位进行重复(样本含量样本含量)。避免把个别情况误认为普遍情况，把偶避免把个别情况误认为普遍情况，把偶然性或巧合的现象当作必然的规律，通然性或巧合的现象当作必然的规律，通过一定数量的重复，使结论可信；过一定数量的重复，使结论可信；(3)同一实验单位的重复观察。同一实验单位的重复观察。保证观察结果的精度。保证观察结果的精度。192.3 基本原则之三：重复(repeated)可靠性19影响样本含量的因素影响样本含量的因素数据的种类数据的种类个体的变异个体的变异组间的差别组间的差别指标间的相关程度指标间的相关程度设计方法设计方法各组例数的分配各组例数的分配I I型错误和型错误和IIII型错误型错误研究的质量研究的质量20影响样本含量的因素数据的种类20（2 2）查表）查表样本例数的计算样本例数的计算（1 1）公式计算）公式计算21（2）查表样本例数的计算（1）公式计算21例：两均数比较时的样本含量估计例：两均数比较时的样本含量估计(两组相等两组相等)：I 差差，常取常取0.05：II 差差，常取常取0.20，0.101-：把握度把握度：标准差准差，个体个体异：两个体的差两个体的差(专业可可)22例：两均数比较时的样本含量估计(两组相等)：I 类误差，例：降血脂=20mg/L；=30mg/L；=0.051-=90%Q1:Q2 N 1:1 78 4:6 82 3:7 92 2:8 122 1:9 216 1:19 406 N78 Q1:Q2 1-(%)1:1 90.0 4:6 88.9 3:7 85.0 2:8 75.6 1:9 54.4 1:19 35.6 23例：降血脂=20mg/L；=30mg/L；=0.05例：n1 固定，n2 增加时，Power的变化趋势n1=20 Q1:Q2 PowerQ1:Q2 Power 1:1 0.5589 1:6 0.7882 1:2 0.6824 1:7 0.7960 1:3 0.7330 1:8 0.8026 1:4 0.7601 1:9 0.8074 1:5 0.7769 1:10 0.8113=20mg/L；=30mg/L；=0.0524例：n1 固定，n2 增加时，Power的变化趋势n1=图 n1固定，n2增加时，Power的变化趋势(r=n2:n1)powerr12345678910.5.6.7.8.925图 n1固定，n2增加时，Power的变化趋势(r 试验组和对照组样本含量不等两组的比例不超过 1:4 4:126试验组和对照组样本含量不等两组的比例不超过26样本含量的影响因素：样本含量的影响因素：数据的种类：数据的种类：定量定量等级等级定性定性个体的变异：个体的变异：变异小，样本含量少变异小，样本含量少组间的差别：组间的差别：差别大，容易鉴别，差别大，容易鉴别，n少少指标间的相关程度：指标间的相关程度：相关大，相关大，n少少设计方法：设计方法：各组例数的分配：各组例数的分配：均衡时，均衡时，n少少I型错误和型错误和II型错误：型错误：小，小，n大大研究的质量：研究的质量：27样本含量的影响因素：数据的种类：定量等级0.266方差分析表Bartlett的方差齐性检验：66两两比较：q检验 D C B A 3.3200 3.0975 2.6850 2.402567两两比较：q检验 D 结论：方差分析(ANOVA)及SNK两两比较结果表明，四种饲料喂养大白鼠后的肝重比值不完全相同(F=10.40,P0.01)，喂养A、B饲料的大白鼠肝重比值比喂养C、D者低(P0.05)。68结论：方差分析(ANOVA)及SNK两两比较结果表明，四种饲完全随机设计例3 研究中药骨碎补对高脂血症的治疗和预防作用。取家兔44只，随机分成四组，每组11只。每间隔5周测定血清胆固醇一次，共测四次（包括给药前一次），整个实验期为15周。各组处理如下：造型组：每日以0.3g胆固醇灌胃；治疗组：每日以0.3g胆固醇灌胃，于实验开始的第5 周起每日肌注100%骨碎补液1.7ml/kg；预防组：每日以0.3g胆固醇灌胃，于实验开始之日起 即每日肌注100%骨碎补液0.8ml/kg；对照组：每日肌注生理盐水0.8ml/kg。69完全随机设计例3 研究中药骨碎补对高脂血症的治疗和预防作血清胆固醇含量，mg%70血清胆固醇含量，mg%70各组平均血清胆固醇含量，mg%71各组平均血清胆固醇含量，mg%71各组各时点平均血清胆固醇含量图示造型组治疗组预防组对照组72各组各时点平均血清胆固醇含量图示造型组治疗组72分析思路：1.四组是否具有可比性？2.造型是否成功？3.对照组是否稳定？4.骨碎补对高脂血症的预防和治疗效果如何？5.预防和治疗的显效时间？6.预防和治疗的持续时间？73分析思路：四组是否具有可比性？73(1)给药前四组的比较 预防组造型组 治疗组 对照组均数：90.09 88.36 79.45 75.55方差：444.25 390.47 333.47 290.69方差分析 F=1.474,P=0.2360服从齐性检验 2=0.489,P=0.9213说明4个组的初始条件一致。74(1)给药前四组的比较74(2)造型是否成功？以实验时间为X（周）以对应时间点的胆固醇含量之均数为Y造型组的直线回归分析：X：0 5 1015 Y：88.36324.00484.90 750.50 t=15.855,P 0.5 说明对照组在实验期内血清胆固醇含量不随时间而改变，是稳定的。76(3)对照组是否稳定？以实验时间为X（周）76(4)第5周时四组均数的比较 造型组 治疗组 预防组 对照组均数：324.00 323.00 140.09 88.09 F=5.45,P0.005 第5周时预防组及造型组的均数间差别有统计学意义，而及对照组差别无统计学意义。说明在第5周时已有预防作用。77(4)第5周时四组均数的比较 (5)第10周时四组均数的比较 造型组 治疗组 预防组 对照组均数：484.90 252.55 94.27 77.90 F=9.78,P0.001 第10周时治疗组及造型组的均数间差别有统计学意义，及预防组、对照组差别无统计学意义。说明治疗已起效，预防组有持续效果。78(5)第10周时四组均数的比较 (6)第15周时四组均数的比较 造型组 治疗组 预防组 对照组均数：750.50 140.90 108.00 73.50F=9.78,P0.001 结论同第10周时。79第15周时四组均数的比较 造型组 治疗组 结论：对家兔肌注骨碎补液，预防组于用药第5周时已见防止血清胆固醇升高的作用，直至第15周仍保持及对照组接近的水平。治疗组于用药第5周(即实验期第10周)时已见胆固醇下降，至用药第10周(即实验期第15周)时降至及对照组接近的水平。说明骨碎补对家兔具有预防和治疗高血脂症的作用。80结论：对家兔肌注骨碎补液，预防组于用药第5周时已见防止血清胆正确应用完全随机设计完全随机设计是最常用的一种设计方法，不受组数的限制；各组样本含量可以相等，也可以不等，但在总样本含量不变的情况下，各组样本含量相等时的设计效率最高；对照组可以不止一个；各组应达到均衡一致；各处理组应同期平行进行；对个体间同质性要求较高。在个体同质性较差时，完全随机设计并不是最佳设计。81正确应用完全随机设计完全随机设计是最常用的一种设计方法，不受（二）（二）配对设计配对设计paired design是将受试对象按一定条件配成对子，再随机分配每对中的两个受试对象到不同处理组，配对的因素是影响实验效应的主要非处理因素。自身配对异体配对82（二）配对设计paired design82配对的原则条件相近对内同质83配对的原则条件相近对内同质83正确应用配对设计当实验对象的同质性欠佳时，采用配对设计可以提高处理组间的可比性和均衡性；配对设计的成败取决于配对的条件，只有当两组观察值间的相关大于0时，配对才是成功的，且能提高检验效能；当采用左右配对设计时，实验因素的效应必须是局部的，不可以通过神经、体液等途径影响对侧；采用自身前后配对设计时，应考虑到环境、气候或疾病的自然进展等引起的效应改变；配对设计的资料结合相关或回归分析，有时能得到更丰富的结论。84正确应用配对设计当实验对象的同质性欠佳时，采用配对设计可以提例题 高粘综合症患者的血沉较快，某大夫观察A、B两个降粘药物对血沉(mm/h)的影响，结果如下，试作统计分析。85例题 高粘综合症患者的血沉较快，某大夫观察A、B两个降粘药物A、B两个降粘物血沉(mm/h)的影响 前 后 差A 38.72.406 30.32.946 8.42.221 B 40.12.514 23.93.381 16.23.425 86A、B两个降粘药物对血沉(mm/h)的影响 分析思路：1.疗前两组比较，以分析可比性；2.各组疗前疗后差值分别比较，分别确定各自的变化值；3.两组疗前疗后差值相互比较，分析两组的效果是否相同？87分析思路：疗前两组比较，以分析可比性；87分析结果：(1)前两比：t=1.2721，P=0.2195；可以两具有可比性。(2)A前 后比：td=11.9594，P=0.0000；可以A治 后血沉减慢。B前 后比：td=14.9556，P=0.0000；可以B治 后血沉减慢。(3)两治前后差相互比：t=6.0419，P=0.0000；可以B降低血沉的效果优于 A。88分析结果：(1)疗前两组比较：t=1.2721，P=0.结论：统计分析结果表明，两组疗前具有可比性(t=1.2721,P=0.2195)；无论是A药还是B药，治 疗 后 均 使 血 沉 减 慢(td=11.9594,P=0.0000;td=14.9556,P=0.0000)，B药降低血沉的效果优于A药(t=6.0419,P=0.0000)。89结论：统计分析结果表明，两组疗前具有可比性(t=1.2721（三）（三）配伍组设计配伍组设计randomized block design亦称随机区组设计，是配对设计的扩充。亦称随机区组设计，是配对设计的扩充。是将几个受试对象按一定条件划分成配伍是将几个受试对象按一定条件划分成配伍组组/区组，再将每一配伍组的各受试者随机区组，再将每一配伍组的各受试者随机分配到各个处理组中去。分配到各个处理组中去。总体同质性差，部分同质性好，总体同质性差，部分同质性好，区组化区组化 区组控制，区组内随机区组控制，区组内随机90（三）配伍组设计randomized block desi随机区组设计区组内同质、随机91随机区组设计区组内同质、随机91单向区组控制示意92单向区组控制示意92配伍组设计例配伍组设计例1 将将人人的的血血滤滤液液放放置置不不同同时时间间，测测定定其其血血糖糖浓浓度度。放放置置时时间间分分4种种(0,45,90,135分分钟钟)，取取八八个个健健康康人人的的血血液液，各各分分成成4份份，按按配配伍伍组组设计，结果见下表。设计，结果见下表。93配伍组设计例1 将人的血滤液放置不同时间，测定其血糖浓配伍组设计的方差分析 两两比较结果：94配伍组设计的方差分析 两两比较结果：94血滤液的放置时间及血糖浓度的关系lg(103-Y)=0.282021+0.006881*Time 085血糖浓度，mg%放置时间，分45901359095100105lg(103-Y)=0.282021+0.006881*Time95血滤液的放置时间及血糖浓度的关系lg(103-Y)=结论：人血滤液中的血糖浓度在放置0135分钟期间，随时间的延长而下降，起初下降不明显，而后逐渐加快，成指数下降。96结论：人血滤液中的血糖浓度在放置0135分钟期间，随时间的正确应用随机区组设计配配伍伍组组设设计计是是配配对对设设计计的的扩扩展展，在在个个体体同同质质性性较较差差时时，采采用用配配伍伍设设计计可可以以提提高高各各处处理理组组间间的的可可比比性和均衡性；性和均衡性；同一区组内的个体应尽可能同质；同一区组内的个体应尽可能同质；实实际际上上配配伍伍设设计计是是两两因因素素多多水水平平的的试试验验，由由于于每每种组合只作一次试验，故不能分析交互作用；种组合只作一次试验，故不能分析交互作用；采采用用配配伍伍设设计计时时，要要尽尽可可能能使使观观察察值值不不缺缺失失，虽虽然然有有估估计计缺缺失失值值的的方方法法，但但缺缺失失时时信信息息损损失失较较大大的。的。97正确应用随机区组设计配伍组设计是配对设计的扩展，在个体同质性 盲法盲法偏倚（偏倚（bias）单盲法：病人不知自己接受何种治疗单盲法：病人不知自己接受何种治疗双盲法：病人和医护人员都不知患者双盲法：病人和医护人员都不知患者的分组和接受何种治疗的分组和接受何种治疗98 盲法偏倚（bias）单盲法：病人不知自己接受何种治疗5.调995.调查设计99江苏省慢性非传染性疾病基础资料调查 了解我省高血压、冠心病、脑卒中、糖尿病、恶性肿瘤的患病率、死亡率、分布特征及其及经济水平、吸烟、饮酒、膳食营养、体力活动等因素的关系，为采取相应的预防措施提供依据。抽样地区35岁以上常住(五年及以上)居民。1997.101998.6100江苏省慢性非传染性疾病基础资料调查 了解我省高血压、冠心病、随机抽样方法单纯随机抽样单纯随机抽样系统抽样系统抽样分层随机抽样分层随机抽样整群抽样整群抽样 101随机抽样方法单纯随机抽样101抽样方法抽样方法采用多阶段分层随机整群抽样法。苏北 城市点 盐城市城区 =01 农村点 徐州市铜山县=02 农村点 淮阴市金湖县=03苏中 城市点 南京市鼓楼区=04 农村点 扬州市高邮市=05 农村点 南通市海门市=06 农村点 泰州市泰兴市=07苏南 城市点 苏州市平江区=08 城市点 常州市钟楼区=09 农村点 无锡市郊区 =10 农村点 常州市溧阳市=11 102抽样方法采用多阶段分层随机整群抽样法。102城市点在所抽区中给所有的街道编号，随机抽取3个街道，对每个街道的所有居委会编号，然后随机抽取若干个居委会，对这些居委会所有35岁以上人群进行调查，确保每个街道调查总人数不少于6500人，每个区不少于2万人。若3个街道不足2万人，再抽取下一个顺序号的街道。103城市点在所抽区中给所有的街道编号，随机抽取3个街道，对每个街农村点 在所抽市(县)中给所有的乡镇编号，随机抽取3个乡镇进行调查。对每个乡镇的所有村编号，然后随机抽取若干个村，对这些村所有35岁以上人群进行调查，确保每个乡镇调查总人数不少于6500人，每个市(县)不少于2万人。若3个乡镇不足 2 万人，再抽取下一个顺序号的乡镇。104农村点 在所抽市(县)中给所有的乡镇编号，随机抽取3个乡镇进多阶段分层随机整群抽样 第 一 第二 第 三 群南 区 街道 居委会中 (市)村北105多阶段分层随机整群抽样 第一层 第调查内容及调查表格调查内容及调查表格慢性非染性疾病基料流行病学调表个人行调，调内容主要包括：一般情况、家庭居住条件、医保障情况、主要慢病史、家族史、吸烟、酒、食、生活起居及体育、女性月、生育史及体格等。106调查内容及调查表格106组织及实施组织及实施本次调研工作是由江苏省卫生防疫站慢病调查技术指导组牵头，由省站负责拟定全省调查方案，组织市、县级人员培训，统一发放调查表并收集资料，质量控制和分析总结等。各市、县组织本地区慢病流行病学调查组，拟定本市、县实施方案并组织实施，负责现场调查工作安排、联系及协调等。107组织及实施本次调研工作是由江苏省卫生防疫站慢病调查技术指导组质量控制质量控制调查方案和各种调查表格等均经过预试验。实行逐级培训，合格者方可参加本次调研。调查人员要每日对填写的调查表内容进行全面检查，有错即改，有漏即补。全省调查资料按统一标准整理后，建立数据库，并由经过培训的专人对录入资料进行复核。各市(县)调查开始之前，必须把调查方案报送省站慢病调查技术指导组核定。108质量控制调查方案和各种调查表格等均经过预试验。108质量控制质量控制各种测量仪器必须在使用前校准。应答率要求在90%以上，尽可能减少非应答率。调查完成后随机抽5%的人群进行复查。复核检查工作由省、市、县(区)三级人员组成的慢病调查技术指导组成员负责。在调查点已完成调查任务的1周内进行复查，将两次调查表的内容进行复核检查，全部正确率应高于90%，否则应返工。109质量控制各种测量仪器必须在使用前校准。109数据录入数据录入由经过培训的专业人员对各调研点的资料进行核对，并将核对无误的资料用江苏省卫生防疫站设计的统一数据库录入，录入后将原调查表和数据库送至江苏省卫生防疫站慢病调查技术指导组复核。110数据录入由经过培训的专业人员对各调研点的资料进行核对，并将核统计分析集中统一分析。111统计分析集中统一分析。111不同时点上的普查或抽样调查构成了纵向资料112不同时点上的普查或抽样调查构成了纵向资料112Thank all of you!113Thank all of you!113谢谢！谢谢！