医学统计学第章实验设计

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,医学统计学第章实验设计,例如：欲了解农村地区的卫生服务需求情况，随机抽取部分农户询问患病与就医情况。居民的患病或就医不是由研究者所确定的，也不是随机确定的，而是根据农户自身的实际情况确定的，研究者只是被动的观察实际情况。,2. 实验研究,又称干预性研究，是对研究对象人为给予干预措施的研究。,例如：在关于健康教育能否预防小学生近视的研究中，将小学生随机分为实验组和对照组，对实验组的小学生给予有关近视的健康教育，对照组则只是每天做一次眼保健操，不进行健康教育。观察一段时间后，比较两组小学生视力下降发生情况。,实验研究的优点为：,不但能较好地控制重要的非处理因素(即混杂因素)的影响，使比较组间具有均衡性和可比性，还能将多种实验因素包括在较少次数的试验中，达到高效的目的。,缺点为：小样本不能保证非处理因素对各组的影响相同。,第一节 实验设计的基本要素,受试对象、处理因素和实验效应是实验设计的三个基本因素。实验设计的目的就是要阐明某种或某些处理因素对受试对象产生的效应。,例如：研究某降血糖药物对II型糖尿病患者的降血糖效果，其中II型糖尿病患者为受试对象，该降血糖药物为处理因素，血糖的变化为实验效应。,一、受试对象,受试对象是处理因素作用的客体，应根据研究目的而确定。,根据受试对象不同，实验可以分为三类：, 动物实验 其受试对象为动物，也可以是器官、细胞,或血清等生物材料；, 临床试验 其受试对象通常为患者；, 现场试验 其受试对象通常为人群。,医学研究一般需要先进行动物实验，在确定无害的条件下再进行临床试验。,选择受试对象应有明确的纳入标准和排除标准以保证受试对象的同质性。,首先，受试对象应满足两个基本条件：,一是对处理因素敏感；二是反应比较稳定。,例如，研究某药物对高血压的治疗效果，常选用I、II期高血压患者作为受试对象，因为III期高血压患者对药物不够敏感。,为使研究结果具有普遍性和推广价值，需保证受试对象的同质性和代表性。,动物的选择应注意种属、品系、年龄、性别、体重、窝别和营养状况等。,临床试验的受试对象大多数是患者，应选择诊断明确、依从性好的病例，并应注意年龄、性别、病情和病程等。,预防医学现场试验的受试对象大多数是正常人，应注意年龄、性别、民族、职业、文化程度和经济状况等。,二、处理因素,处理因素是根据研究目的而施加的特定的实验措施，又称受试因素。,如给予某种降糖药。,当处理因素为单个时，称为单因素；处理因素为多个时，称为多因素。每个因素在量或强度上可有不同，这种量或强度的不同就称为水平。,依照因素与水平的不同，可产生四类实验：,单因素单水平实验，如研究教育干预法预防小儿单纯性肥胖的效果；,单因素多水平实验，如研究不同含氟制剂的防龋效果；,多因素单水平实验，如比较不同治疗方案对椎间盘突出的治疗效果；,多因素多水平实验，如研究多种药物不同剂量的联合治疗对消化溃疡的疗效。,与处理因素相对应并同时存在的是非处理因素。某些非处理因素可干扰所研究因素与实验效应间关系的观察与分析，又称混杂因素。,如研究某治疗方法对鼻咽癌的疗效，若对照组与实验组鼻咽癌患者的临床分期不同，则鼻咽癌的分期会干扰该治疗方法的治疗效果分析，成为一个混杂因素。,1. 分清处理因素和非处理因素,处理因素通常取决于研究者，是根据研究目的确定的，对受试对象主动施加的外界干预，如对实验动物给药、不给药及按不同剂量给药等。,非处理因素通常取决于受试对象本身，主要指不能人为改变的，可能对实验结果有影响的因素，如实验动物的性别、体重或患者的年龄、病情轻重等。,在确定处理因素的同时，还需根据专业知识和实验条件，找出重要的非处理因素。,2. 处理因素应当标准化,在试验过程中同一处理因素应始终保持不变，包括处理因素的施加方法、强度、频率过滤和持续时间等。,如在临床试验中，药物的性质、成分、批号、剂型、剂量、使用方法等应完全相同，手术或其他操作的熟练程度都应当自始至终保持恒定，否则将会影响结果的稳定性。,三、实验效应,实验效应是处理因素作用下，受试对象的反应或结局，它通过观察指标来体现。,选择观察指标时，应当注意以下几点：,1. 客观性,观察指标有主观指标和客观指标之分，主观指标是指被观察者的主观感受、记忆、陈述或观察者的主观判断结果；而客观指标则是借助测量仪器或实验室检查等手段获得的结果。,在临床试验中，主观指标易受观察者和被观察者心理因素的影响，具有随意性和偶然性，而客观指标具有较好的真实性和可靠性。但在现代医学愈来愈重视主观指标的应用，如进行生存质量分析时，采用公认的量表来测量某些主观感受，反应处理效应的变化。,2. 精确性,包括准确度和精密度两层含义。,准确度指观察值与真值的接近程度，主要受系统误差的影响。,精密度指相同条件下对同一对象的同一指标进行重复观察时，观察值与其均数的接近程度，其差值受随机误差的影响。,观察指标应当既准确有精密。,3. 灵敏性与特异性,指标的灵敏度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更好地显示出来。,例如，研究某药治疗缺铁性贫血的效果，既可选用临床症状、体征，也可选用血红蛋白含量作为观察指标，但这些观察指标只有在缺铁比较明显的情况下才有较大变动，所以不够灵敏。而选用血清铁蛋白作为观察指标，则可灵敏地反应出处理因素的效应。,指标的特异度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。,总之，所确定的指标应当灵敏而准确地反映处理因素的效应，经对观察指标的分析，能够较为圆满地回答研究假设所提出的问题。,此外，指标的观察应避免带有偏性或偏倚，如研究者的心理常偏向于阳性结果，医生常偏向于新疗法组，而患者则对新疗法持怀疑态度等。为消除或最大限度减少这种偏性，在设计时常采用盲法。,第二节 实验设计的基本原则,在实验设计时，为更好地控制非处理因素对结果的影响，以较少的受试对象取得较为可靠的信息，达到经济高效的目的，必须遵循对照、随机化和重复的原则。,一、对照原则,在确定处理因素的试验组时，应同时设立对照组。只有设立了对照才能较好地控制非处理因素对实验结果的影响，从而将处理因素的效应显示与分离出来，将效应归因于处理因素。不设立对照往往会误将非处理因素产生的效应当成处理效应，从而得出错误的结论。,例如，研究某药物对上呼吸道感染的疗效，由于上呼吸道感染患者有自愈的倾向，如果没有设立对照，即使该药物没有效果或者疗效甚微，也可能得到疗效较好的结论。,设立对照应遵循均衡性原则。均衡是指在设立对照时除给予的处理因素不同外，对照组和试验组的其他重要的、可控制的非处理因素应保持一致。,在整个实验过程中，对照组和试验组应始终处于同时同地，即应设立同期对照或平行对照。尽量不要用以往的研究资料作为历史对照。,对照形式有多种，常有以下几种：,1. 安慰剂对照,安慰剂或称伪药物，是一种无药理作用的制剂，不含试验药物的有效成分，但其外观如剂型、大小、颜色、重量、气味及口味等都与试验药物一样，不能为受试对象所识别。,安慰剂对照的目的在于克服研究者、受试对象等由心理因素导致的偏倚。,安慰剂对照还可消除疾病自然进程的影响，分离出试验药物所引起的真正效应。,安慰剂的使用需慎重，应以不损害患者健康为前提，适用于研究的疾病尚无有效药物治疗或使用安慰剂后对该疾病病情、临床过程、预后无影响或不利影响小的情况，一般与盲法结合使用。,2. 空白对照,即对照组不接受任何处理，在动物实验和实验室方法研究中最常用，常用于评价测量方法的准确度，评价实验是否处于正常状态。,例如，在实验室中设置空白管并同时测定，以检测本底值。,在临床试验中，空白对照虽简单易行，但涉及伦理方面的问题，且实施过程中容易引起实验组与伦理组在心理上的差异，从而影响结果的可靠性，因此较少使用。,但空白对照可用于以下情况：,一是由于处理手段非常特殊，安慰剂盲法试验无法执行，或执行起来非常困难，如实验组为放射治疗或手术治疗等；,二是试验药物的不良反应非常特殊，以至于无法使研究者处于盲态，这时使用安慰剂对照意义不大，不如采用空白对照。,3. 实验对照,对照组不施加处理因素，但施加某种与处理因素有关的实验因素。,如研究膳食中强化铁预防缺铁性贫血的试验中，实验组儿童食用强化铁酱油烹饪的饭菜，对照组为普通酱油。这里酱油是与处理因素有关的实验因素，两组除是否强化铁外，其他条件一致，这样才能显示和分析酱油中铁的作用。,4. 标准对照,用现有的标准方法或常规方法作为对照。,标准对照在临床试验中用得较多，因为很多情况下不给患者任何治疗是不道德的。,另外，在实验室中常用于某种新检验方法是否能代替传统方法的研究。,5. 自身对照,对照与实验在同一受试对象身上进行，如身体对称部位或实验前后两阶段分别接受不同的实验因素，一个为对照，一个为实验，比较其差异。自身对照简单易行，使用广泛。,例如：研究不同进针法的静脉穿刺对血管组织的损伤，对大白兔一侧耳缘静脉采用针尖斜面向上进针法，另一侧耳朵的对称部位采用针尖斜面向左进针法。,又如，研究某减肥茶的效果，以服用前的体重作为对照。但严格地说，这一设计使用的不是同期对照，若实验前后某些环境因素或自身因素发生了变化，并且可以影响实验结果，这种对照就难以说明问题。,因此，在实验中常常需要另外设立一个平行的对照，用实验组与对照组前后效应的差值来进行比极。,二、随机化原则,随机化是采用随机的方式，使每个受试对象都有同等的机会被抽取或分配到试验组和对照组。,随机化使大量难以控制的非处理因素在试验组和对照组中的影响相当，并归于实验误差之中。,随机化应贯穿于实验研究全过程，在受试对象的抽样、分组以及实验实施过程中均应遵循随机化原则，随机体现在如下三个方面：, 随机抽样,每个符合条件的受试对象被抽中的机会相等，即总体中每个个体都有相同的机会被抽到样本中来，它保证了所得样本有代表性。, 随机分配,每个受试对象被分配到各组的机会相等。它保证了大量难以控制的非处理因素在对比组间尽可能均衡，以提高组间的可比性。, 试验顺序随机,每个受试对象先后接受处理的机会相等，它使实验顺序的影响也达到均衡。,在实验设计中常通过随机数来实现随机化。,获得随机数的常用方法有三种：随机数字表、计算机的伪随机数发生器与随机排列表。,随机数字表（李晓松附表1）,常用于抽样研究及随机分组。表内随机数字互相独立，无论横行、纵列或斜向等各种顺序均是随机的。使用时可从任一个数字开始，可查单行、单列，双行、双列，也可以多行、多列，方向可向下或向上，亦可向左或向右。,伪随机数,是由计算机产生的介于0-1之间的均匀分布的数字，若要得到0-99之间的随机数，将每个数乘以100，取整数即可。,随机排列表,适用于分组排列等的随机化，用法比随机数字表更为简便。当样本含量较少时，应用随机数字表往往会遇到奇数和偶数出现机会不等的现象，致使分到各组的研究对象数量出现较大差异。应用随机化排列可避,免这种现象。（中医药统计学与软件应用：附表17）,1. 完全随机化,完全随机化就是直接对受试对象进行随机化分组，分组后各组受试对象的例数不一定相等。其具体步骤如下：,(1) 编号,将n个受试对象按一定顺序编号，如动物可按体重大小，患者可按就诊顺序等。,(2) 取随机数,可从随机数字表、计算机等获得。每个受试对象的随机数可以是一位数，两位数或三位数，一般要求与n的位数相同。,(3) 确定组别,根据事先确定的规则，按照受试对象获得的随机数确定受试对象在哪一组。,例3-1,试将性别相同、体重相近的15只动物随机分到A、B、C三组。,现将动物按体重编号，再从随机数字表中任一行，如第20行最左端开始横向连续取15个两位数。事先规定：按照随机数大小编号，若出现相同随机数，则先出现的为小，规则：序号1-5对应的小白鼠为A组，序号6-10对应的为B组，序号11-15对应的为C组。,编号,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,随机数,序号,分组,38,2,A,64,8,B,43,3,A,59,6,B,98,14,C,98,15,C,77,11,C,87,12,C,68,10,B,07,1,A,91,13,C,51,5,A,67,9,B,62,7,B,44,4,A,表3-1 15只小白鼠完全随机分组的结果,分组结果为：第1, 3, 10, 12,15号进入A组；第2, 4, 9, 13, 14号进入B组；第5, 6, 7, 8, 11号进入C组。,2. 分层随机化,完全随机化虽然可以提高各组的均衡性，但并不能保证各组间一定达到良好的均衡性。此时应先对可能影响实验过程和结果的主要混杂因素进行分层，然后在各层内进行完全随机化，称为分层随机化。,配对随机化和区组随机化可看成是分层随机化的实际应用。,下面以区组随机化为例介绍分层随机化的主要步骤：,(1) 编号排序,将受试对象按照主要混杂因素相近的原则分层或区组，为同一层或区组内个体编号。,(2) 取随机数,可从随机数字表、计算机等获得。每个受试对象的随机数可取两位数。,(3) 确定组别,根据事先确定的规则，按照每层受试对象获得的随机数确定受试对象在哪一组。分两组可按随机数的奇偶；分k组可按随机数除以k后的余数进行分组。,研究总体,受试对象,纳入,排除,匹配,区组1,区组b,区组2,K个水平,图3.1 随机区组示意图,例3-3,将16只小白鼠的体重作为区组因素，分为4个区组，试作随机区组设计。,将16只小白鼠按体重由轻到重依次排序，依次每4个形成一个区组，并对每个区组内的小鼠编号。任选随机数字，事先规定，每一区组中，将随机数字从小到大排序，序号1，2，3，4分别对应于四种剂量的A，B，C，D。,区组编号 1,动物编号,1.1,1.2,1.3,1.4,随机数,04,31,17,21,序号,1,4,2,3,组别,A,D,B,C,区组编号 2,动物编号,2.1,2.2,2.3,2.4,随机数,56,33,73,99,序号,2,1,3,4,组别,B,A,C,D,区组编号 3,动物编号,3.1,3.2,3.3,3.4,随机数,19,87,26,72,序号,1,4,2,3,组别,A,D,B,C,区组编号 4,动物编号,4.1,4.2,4.3,4.4,随机数,39,27,67,53,序号,2,1,4,3,组别,B,A,D,C,三、重复原则,重复是指在相同条件下进行多次实验或多次观察，以提高实验的可靠性和科学性。,重复包括三种情形：,(1) 整个实验的重复,它确保实验的重现性，从而提高实验的可靠性。,(2) 用多个受试对象进行重复,它避免了把个别情况误认为普遍情况，把偶然或巧合的现象当成必然的现象，将实验结果错误地推广到群体。,(3) 同一受试对象的重复观察,它保证了观察结果的精密度。如血压连续测3次，以3次的均数作为最终结果。,从统计学而言，重复最主要的作用是估计变异的大小。,重复的另一作用就是降低变异的大小，以便在随机变异的背景中凸显实质性差异。,五、析因设计（第32页）,析因设计是将两个或多个处理因素的各水平进行组合，对各种可能的组合进行实验，从而探讨各处理因素的主效应以及各处理因素间的交互作用。,因为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。,所谓交互作用是指两个或多个因素间的效应不互相独立,当某一因素取不同水平时，另一个或多个因素的效应相应地发生变化。,A因素,a1 a2,B因素,b1,b2,4 10,7 13,在b,1, a2a1=104=6,在b,2, a2a1 =137=6,在a,1, b1b2=74=3,在a,2, b1b2=1310=3,A因素的变化与b1、b2无关，B因素的变化与a1、a2无关，称A、B无交互作用。,交互作用与主效应（,二元表）,（实验甲）,A因素,a1 a2,B因素,b1,b2,4 10,7 5,在实验甲中，A因素的变化与b1、b2无关，B因素的变化与a1、a2无关，称A、B无交互作用。而实验乙中，A、B两 因素变化相互有关，称A、B 存在交互作用，记为AB 。,在b,1, a2a1=104=6,在b,2, a2a1 =57=-2,在a,1, b1b2=74=3,在a,2, b1b2=510=-5,（实验乙）,图 交互作用图解,两直线平行，则无交互作用，两直线交叉，有交互作用,两因素实验设计中，A(或B) 因素平均差数的差异称为A(或B)的主效应，而A、B交互作用的效应称为交互效应(AB)。三种效应的显著性使用 F 检验进行判断。在A(或B)的不同水平下考虑B(或A)的效应，称为B(或A)的单纯主效应。,观察A、B两个因素的效应，每个因素两个水平，a,1,表示A因素1水平，a,2,表示A因素2水平，b,1,表示B因素1水平，b,2,表示B因素2水平。共有2,2=4种不同因素水平的组合，即四种处理方式，这样的设计简记为2,2,或2,2析因设计。,人有了知识，就会具备各种分析能力，,明辨是非的能力。,所以我们要勤恳读书，广泛阅读，,古人说“书中自有黄金屋。,”通过阅读科技书籍，我们能丰富知识，,培养逻辑思维能力；,通过阅读文学作品，我们能提高文学鉴赏水平，,培养文学情趣；,通过阅读报刊，我们能增长见识，扩大自己的知识面。,有许多书籍还能培养我们的道德情操，,给我们巨大的精神力量，,鼓舞我们前进,。,谢谢！,