实验设计

实验设计,朱文莲,在科学研究中，实施任何科研课题之前都要进行科研设计。具体实施方案就是实验设计。实验设计的好坏直接决定着科研的成败。在进行实验设计时一定要做到科学、合理、严谨和高效，遵守实验设计时的一些原则和要求。进行实验设计时，既要尊重其自身的学科特色，又必须严格遵守现代医学实验研究中的各项原则和要求。,（一）实验设计的基本内容,实验设计是医学科研中的首要环节，一个完整的实验设计主要应包括专业实验设计和统计实验设计两方面内容。专业实验设计是为回答和解决科研课题假说，验证实验结果的实用性和独创性而制定的具体实施过程的研究方案，是说明该项科研是否具有应用性和先进性的前提和基础。专业实验设计显示了研究者对专业知识的把握能力，它直接影响着科研实验的深度以及科研成果的成败和大小；统计实验设计是为减少和消除误差，保证样本具有代表性和样本间的可比性，确保实验结果的精确性、可靠性和可重复性而制定的设计方案，它能够提高效率，使较小量的实验观察提供大量的有效信息，从而获得社会效益和经济效益。统计实验设计是研究者对统计知识的正确运用，它直接影响着科研实验的质量。,实验设计的具体内容应包括,研究对象的选择和设计处理因素的设计观测指标的选择和设计误差和条件控制的设计对照和分组及其数量的设计生物参数统计处理的设计等,失败的实验设计,会出现研究对象不敏感、不特异；处理因素标准化差、干扰因素过多；观测指标主观、片面；样本量不足、过多或不齐同，组间条件不均衡；对照不足或多余；实验误差过多或过大；未遵循随机原则或随机化较差；统计方法不合理等问题，从而导致实验结果不可信，科研课题以失败告终,（二）实验设计的基本要素,处理因素研究对象实验效应,1. 研究对象（受试对象）,医学研究对象一般分为动物和人。选择要求： 研究对象种类的选择 动物实验可以进行任何对机体有害或可能有害以及需要进行离体组织器官检测的研究，人体试验只能进行经动物实验验证，对人体无害或观察指标对人体无损伤的临床观察或比较的医学研究。动物实验和人体试验有各自的优缺点，他们不能互相取代，却相辅相成。动物实验一般用于探索性和机制性研究，而人体试验则常用于验证性和比较性研究。所以，因根据研究目的不同，选择适当的研究对象种类。实验针灸学的研究对象既可以是人，也可以是动物。因实验针灸学的研究内容主要是针灸的作用机理、影响针灸的作用因素和针灸的作用途径等，研究时需要对各组织脏器，甚至细胞分子水平的变化进行深入细微的观察，所以，实验针灸学的研究手段往往是损伤性的，大多需要在动物身上进行实验。但是，动物的经络穴位并不等同于人类，因此，在对人体无损害的情况下，也需在人体上进行研究和验证, 应选择敏感、特异、稳定且又经济的研究对象动物的种属和品系不同，其功能结构和生理特性就不同，适合的研究范围和目的也就不同。动物种属和品系的不同直接影响着实验结果。例如：大鼠无胆囊，不能用于胆囊功能的研究，而豚鼠有胆囊，可进行相关实验的研究；C57BL小鼠对肾上腺皮质激素的敏感性比DBA及BALB/C小鼠高12倍；大鼠、小鼠性成熟早、繁殖周期短、产仔多，适合做胚胎、避孕药物、雌激素的研究等；猪的皮肤组织结构与人相似，宜做烧伤实验研究。猴、猩猩、狒狒、长臂猿等灵长类动物是最似人类的实验动物，可以进行多学科多领域方面的实验研究，但是价格昂贵、饲养困难，目前已很少使用，而大鼠、小鼠和兔的价格便宜又容易饲养而广泛用于实验研究中。, 应控制研究对象的入选条件，界定研究对象的入选范围，排除干扰因素研究对象的入选条件和范围不同很大程度地影响实验结果。实验动物的选择除应考虑到动物的种属和品系外，还应考虑到性别、年（或月）龄、体重及健康、营养状况和饲养条件等，保证实验效应的精确性。在实验研究中，由于实验动物不合格经常会导致实验的失败。以人体为研究对象时，应考虑种族、性别、年龄、体重、生理、遗传、精神状态、职业、生活条件、生活习惯、嗜好、社会因素等。如矽肺的产生与职业有关；而原发性高血压的发病则可能与遗传、生活习惯、精神等有关。以患者为研究对象时，除应考虑上述一般情况外，还应考虑病种、病型、病程、病期、治疗条件与护理条件等。这些影响因素必须很好地加以控制，使组间均衡化。在制定入选标准时，应明确诊断标准，必须有体征和一些检查结果等客观指标，最好使用国际或国内统一的病型（证）标准，越具体越好。以离体器官、组织、细胞、体液、分泌物等为研究对象时，应注意取材来源、条件、部位、新鲜程度和保存、培养情况等。,2. 处理因素,也称实验因素或研究因素，是根据研究目的而施加于受试对象的某些外部特定因素及受试对象本身内在因素。外部因素包括生物、物理、化学、社会因素；内在因素包括性别、年龄、民族、遗传特性、心理因素等。,实验设计中对处理因素的控制和安排，应注意以下几个方面, 明确处理因素处理因素由实验的目而定，一个实验中处理因素可以是一个或是几个，一个实验所涉及的处理因素尽量不宜太多，否则会使分组增多，受试对象例数增多，在实施中会增加控制误差的难度。但若根据实验目的必须进行多因素多水平实验时，则必须考虑到多因素多水平之间的交互作用，根据因素及水平数目选择恰当的实验设计类型，以减少误差，保证实验结果的可靠性。另外，在实验设计时，无论有几个因素或水平，都必须保证各因素及水平的可控性。否则，实验结果的可行度降低。, 处理因素的标准化处理因素在整个实验过程中必须自始至终保持统一不变。在实验设计时，就应通过查阅文献或预实验选择最佳及稳定的处理因素，明确处理因素的强度、频率、持续时间及施加方法等，使之标准化。如进行针刺研究时，应对针具的型号、品牌，施针时间、强度、持续时间、手法以及施针者等加以明确统一的规定，不得随意更改。, 控制非处理因素在实验过程中，除了确定的处理因素以外，凡能影响实验结果的其他因素，统计学上称为非处理因素。非处理因素虽不是研究因素，但会影响实验结果，产生混杂效应。例如在研究治疗高脂血症的试验中，非处理因素有年龄、性别等，不同年龄性别者，其治疗效果不同，则会影响对治疗手段疗效的评价。所以，在实验设计时，应明确哪些非处理因素会对实验结果产生影响，并有意识地控制或消除它们。,实验针灸学的处理因素有其自身特色，必须包含针和（或）灸这两个因素。这两个因素下又有不同的水平。针刺时，可有不同穴位、组方、手法、施针时间、强度、持续时间、针具等水平；施灸时，可有不同穴位、组方、方法、施灸时间、壮数、间隔时间、持续时间、种类等水平。在实验针灸学研究中，必须严格控制上述因素和水平，使实验科学严谨。,3. 实验效应,也称效果反应，是指处理因素作用于研究对象而产生的各种反应和结果。实验效应能够将实验中的一些本质问题清晰而准确的反映出来。它是反映处理因素作用强弱的标志，它必须通过具体的观测指标来体现。所以，观测指标选择的正确与否，直接关系到实验研究的成败。它是科研设计的一个重要环节。,观测指标选择应注意以下几个方面, 指标的性质 指标按其性质可分为计量指标和计数指标、客观指标和主观指标。,计量指标是指能够被检测并以计量单位表示的指标，如身高、体重、血压、血糖、血细胞计数等；而无适当尺度可以测量，只能以“是与否”、“阴与阳”、“有效与无效”、“存活与死亡”或 “无效”、“好转”、“显效”、“痊愈”等分级表示的标准判断，再分别清点其数目的指标，称为计数指标。计量指标更能清楚准确地反映事物的本质及其变化，所以在指标的设计上应尽量选择计量指标。客观性指标是指通过仪器或某些特定程序测量而得到的各种数据资料；主观指标则是来自受试者或研究者主观判断的描述，易受心理状态和暗示作用的影响，导致结果的偏倚。客观指标能真实显示实验效应的大小或性质；排除人为因素的干扰。因此，在实验设计上应尽量选择客观性指标。,在实验研究中，有些主观指标是不可或缺的，它更能客观地反映出处理因素的效应和实验的意义；而有些指标来源虽是客观的，但判断却受主观影响，如X线片、B超、病理切片等。为了增强主观指标的客观性和减少客观指标的主观性，在实验设计时，应对指标制定明确的判断标准，使之更客观化。, 指标的关联性与特异性,实验中选用的指标必须能够确切反映处理因素的效应，也就是指标与研究目的之间应具有本质性联系，这种联系称为指标的关联性。例如观察针灸对高脂血症的疗效，就应选择血清TC、TG、HDL和LDL这些与血脂水平高低直接相关的指标；实验中选择的指标不仅能够揭示事物的本质，最好还应不易受其他因素的干扰，避免假阳性的出现，这属于指标的特异性。例如甲胎蛋白（AFP）的检测可作为原发性肝癌的特异性的诊断指标；心电图出现病理性Q波为诊断心肌梗塞的特异性指标。指标的首选条件是必须与研究目的具有关联性，然后是特异性。指标是否具有关联性和特异性，充分反映了研究者的专业知识与技术水平。, 指标的灵敏性与稳定性,指标的灵敏度是指观测指标对处理因素作用的反应程度，通常是由能够正确反映变化的最小数量级或水平来确定。指标的稳定性是指指标的变异程度和检测时的受干扰程度。观测指标的选择既要有灵敏性，也要有稳定性，这样才能很好地显示处理因素的效应，指标的灵敏性和稳定性均受受试对象、检测方法和仪器性能的影响。, 指标的精确性,精确性包含精密度与准确度双重含义精密度是值重复测定值与平均值之间的接近程度，显示离散程度大小。说明随机误差的大小；准确度是测定值与真实值之间的接近程度，也就是度量的正确性。主要受系统误差的影响。在选择观测指标时，首先应考虑准确度，然后要求精密度，既准确又精密最好。指标的精确性除与检测方法、仪器性能、试剂及实验条件有关外，还取决于研究者的技术水平及操作情况。,在选择指标时，一定要综合上述几点，做到合理恰当地选择。不可一味地要求高、新、尖，如指标不能很好地表现其与研究目的的关联性，那么无论多么新奇尖端的指标，都不能体现出研究工作的水平及价值；选择指标时，也不能一味地求多，要主次分明，次要指标要少选或不选，以免造成研究目的不明确或浪费人力物力；选择指标时，也要考虑到其可行性，即是否具备观测所选指标的实验条件和技能。,（三）实验设计的基本类型,实验设计依据统计分析方法的不同主要分以下几种类型：1. 完全随机化设计2. 配对设计3. 配伍组设计4. 交叉设计,1. 完全随机化设计,完全随机设计亦称单因素设计，是根据实验要求将全部实验动物随机地分成若干组，然后再按组实施不同处理的设计。这种设计保证每只实验动物都有相同机会接受任何一种处理，而不受实验人员主观倾向的影响。当实验条件特别是实验动物的初始条件相对一致时，可采用完全随机设计。这种设计能使实验结果受外界因素的影响基本一致，真实反映出实验的处理效应。完全随机设计的实质是将实验动物随机分组。随机分组的方法有抽签法、随机数字表法、电脑随机分组法等。完全随机设计的主要优点：设计容易。适用于实验条件、环境、实验动物差异较小的实验。统计分析简单。均可采用t检验或方差分析法进行统计分析。完全随机设计的主要缺点：非实验因素的影响被归入实验误差，实验误差较大，实验的精确性较低。在实验条件、环境、实验动物差异较大时，不宜采用此种设计方法。,2. 配对设计,配对设计是将实验对象配成对，每对中的不同个体施以不同处理。配对设计可对影响实验的因素和条件加以控制，减少两组间的误差。配对设计关键在于对配对条件的选择，动物实验常将种属、窝别、性别相同，年龄、体重相近的两只动物配成对子。这种设计的优点是能有效减少实验误差，使实验组间的均衡性增大，提高实验效率。缺点是在配对的挑选过程中容易损失样本含量，延长实验时间。,3. 配伍组设计,配伍组设计即随机区组设计，是配对设计的扩大形式。配伍组设计是将受试对象按相同或相近的条件组成配伍组，每个配伍组包含多个受试对象，将其随机地分配到多个处理组。每个配伍组中，受试对象的个数等于处理组的组数。配伍组设计可使各处理组间受试对象的条件均衡，减小了误差，使处理因素能在被试对象身上得到较符合实际的客观反映，效率较高。,4. 交叉设计,将A、B两种处理先后施加于同一批实验对象，让全部实验对象中的一半接受处理的顺序为“先A后B”，另一半接受处理的顺序为“先B后A”，两种处理在全部实验过程中“交叉”进行，称为交叉实验。交叉实验平衡了实验顺序的影响，能将处理方法的差别与时间顺序的差别进行比较分析，提高了实验的精确性。交叉设计要求受试对象的例数必为偶数，将条件近似的进行配对。在交叉实验中，处理方式轮流更换，如果前一种处理有效应残存，则实验的精确性将大为降低。对于残效不能消失的处理，例如带有破坏性且不能恢复的实验，不宜采用交叉设计。,除以上实验设计的几种常用类型外，还有拉丁方设计、析因设计、正交设计、系统分组设计、序贯设计等实验设计方法。每种实验设计方法的选择均要依照科学研究的目的和要求而定,（四）实验设计的基本原则,1. 对照原则2. 随机原则3. 重复原则4. 盲法原则,1. 对照原则,对照原则是指在实验中设立两组非处理因素基本一致的受试对象，一组接受处理因素，一组不接受处理因素，进行观察比较。从而鉴别处理因素与非处理因素之间的差异及处理因素的效应大小。不接受处理因素的称为对照组，接受处理因素的称为观察组或实验组。对照原则是医学科研中的一项基本要求。有无对照或对照正确与否直接关系到科研成果的可靠性和价值。在实验过程中，影响实验结果的因素经常是不可预测或掌控的，无论实验设计得多么严格，自然环境、实验条件和生物个体的变异等都会或多或少地起着影响作用。如气候、环境、营养、心理、情绪、社会因素等。另外，在临床上有些疾病不经过治疗病情即可缓解或自愈。所以，在研究中必须设立对照组，以明确处理因素的效应，减少或消除实验误差。对照的形式有很多种，常用的有空白对照、实验对照、相互对照、标准对照、自身对照、配对对照和历史对照等。,空白对照指不做任何实验处理的对象组。自身对照指实验与对照在同一对象上进行，即不另设对照组。处理前后现象变化的差异，实验处理前的对象状况为对照组。条件对照指虽给对象施以某种实验处理，但这种处理是作为对照意义的，例如，“动物激素饲喂小动物”实验：甲组：饲喂甲状腺激素（实验组）；乙组：饲喂甲状腺抑制剂（甲硫咪唑）（条件对照组）；丙组：不饲喂药剂（空白对照组）。通过比较、对照，更能充分说明实验变量甲状腺激素能促进蚯蚓的生长发育。相互对照相互对照是指不单独设对照组，而是几个实验组相互对比对照。例如， “验证植物根对矿质离子有选择吸收的特性”，可把番茄和水稻分别培养在成分相同的培养液中，过一段时间后，测定培养液中各种矿质元素离子浓度的变化，就会发现番茄吸收Ca多，吸收Si少；而水稻吸收Si多，吸收Ca少。以上就是两个实验组的相互对照。标准对照生物生理、生化的某些项目也都有相应的标准，将观察测定的实验数值与规定的标准值相比较，以确定其正常与否的对照方法。,2. 随机原则,随机原则是指在实验分组中，使研究对象的每一个体都有同等机会从研究对象的总体中被抽取，并有同等机会被分入到任何一个组中。常用的随机化方法有抽签或摸球法、随机数字法、分层随机分组法和随机排列表法等。,将12只大鼠随机分入甲、乙两组，每组6名。先把受试者按体重由小到大编号，然后从随机数字表任意一处查出12个随机数，遇到相同的随机数则去掉。并将随机数由小到大编，16者分入甲组，712者分入乙组,某企业要调查消费者对某产品的需求量，要从95户居民家庭中抽选10户居民码表法抽选样本。具体步骤如下： 第一步：将95户居民家庭编号，每一户家庭一个编号，即0195。（每户居民编号为2数）第二步：在上面的表中，随机确定抽样的起点和抽样的顺序。假定从第一行，第9列开始抽，抽样顺序从左往右抽。（横的数列称“行”，纵的数列称为“列”）第三步：依次抽出号码分别是：86、36、96、47、36、61、46、98、63、71，共10个号码。由于96、98两个号码不在总体编号范围内，应排除在外。再补充两个号码：62、74。由此产生10个样本单位号码为：86、36、47、36、61、46、63、71、62、7