实验设计的基本原则.ppt

实验研究的基本原则实验研究的基本原则 principles principles of experimental studyof experimental study 李海斌 新乡医学院公共卫生学系 References n卫生学（第六版）仲来福主编 人 民卫生出版社 n医学科研方法学贺石林 李元建主 编 人民军医出版社 n科研设计方法与科研论文写作殷国 荣主编 科学技术出版社 n医学统计学基础与典型错误辨析胡 良平 李子建主编 军事科学科学出版社 对照的必要性 没有比较就没有鉴别 n疾病的自愈倾向 n感冒、哮喘等 100名感冒患者 体温、鼻塞流涕情况 1周后观察：体温 下降和鼻塞流涕 缓解状况 服用感冒药A 结论：该药能有效治疗感冒，改善鼻塞流涕状况。 实验研究的基本原则实验研究的基本原则 对照原则 principle of control 均衡原则 principle of homogeneityhomogeneity 随机原则 principle of randomizationprinciple of randomization 重复原则 principle of replicationprinciple of replication 1. 对照原则 principle of control v 设立对照的意义 v 设置对照的要求 v 对照的常见形式 v 设置对照的方法 设立对照的意义 消除或减少非处理因素的影响 通过对照可以消除或减少实验误差 衡量一项科研设计是否具有科学性、严密性 校正观察数据（如试剂空白对照） 设置对照的要求 保证各组间的均衡，即非处理因素尽可能一致； 消除各组研究对象心理因素差异的影响； 根据研究目的选择恰当的对照； 各组例数应尽量相等； 各组研究对象的病理强度应相同。 对照的常见形式 空白对照(blank control) 标准对照(standard control) 实验对照(experimental control) 相互对照(inter-control) 安慰剂对照 (placebo control) 例：研究某中草药烟 熏对空气的消毒效果 实验组：中草药烟熏 对照组：单纯烟熏 对照组的受试对象不施加任何处理因素，其处理因素完全空白 。 是指不设专门的对照组，而使用现有的标准值或标准方法来作 对照。 对照组不施加处理因素，但施加与处理因素有关的其他因素。是指几种处理因素互为对照。 对照组的受试对象服用安慰剂。安慰剂（placebo）指不含任 何药理成分的制剂或剂型，外形与真药相像，如蒸馏水、淀 粉片或胶囊等 设置对照的方法 自身对照(self-control) 历史对照(historical control) 复合对照(multiple control) 1.同一批研究对象处理前后比较； 2.同一批研究对象同时接受两种处 理。如，动物实验中，左眼采用A 处理，右眼采用B处理。 多因素实验研究中，可设立多个对照组。 如探讨两种药物联合应用时的效果， 实验组为：A+B； 对照组为：单用A，单用B，空白。 对照的常见形式 实例1 1994年12月1997年12月，收治42例门静脉 高压症合并食管胃底静脉曲张破裂出血者，采用扩 大Hassab手术法，术后近期再出血2例(4.7%)，低 于传统方法(11.1%15.3%)。 历史对照 对照的常见形式 实例2 应用某药治疗8例高血压患者，治疗前后分别测 定患者的舒张压(mmHg)，结果如下表。问该药对患者的 舒张压有无影响？ 自身前后对照 序号治疗前治疗后 1 96 88 2112108 3108102 4102 98 5 98100 6100 96 7106102 8100 92 对照的常见形式 实例3 Wistar大白鼠20只，雌雄各半，体重180 200g，适应性喂养1周后随机分2组，对照组喂 饲基础饲料，肥胖组喂饲高能营养饲料。12月后 比较2组丙二醛(MDA)和过氧化物歧化酶(SOD)，肥 胖大鼠血浆MDA升高、SOD下降，二者均P0.01。 实验对照 评价药物代谢和安全性的、期临床试验 ，探索试验效果和试验方法的预试验，以及有可 靠的潜在对照(如某手术无成功先例)、形态学观 察和病例个案报道可以不设立对照。 某医生观察用ADI预防肠道传染病的效果， 安排如下实验，在甲幼儿园观察100名儿童(甲100名) 服用ADI(+)，在乙幼儿园观察100名儿童(乙100名)服 用ADI()。观察结果，甲幼儿园肠道传染病发病率 ()，乙幼儿园肠道传染病发病率()。据此得出结 论：ADI对肠道传染病有预防作用。 甲(100)ADI(+) 乙(100)ADI(-) 对照原则 principle of controlprinciple of control 均衡原则 principle of homogeneityprinciple of homogeneity 随机原则 principle of randomizationprinciple of randomization 重复原则 principle of replicationprinciple of replication 实验研究的基本原则实验研究的基本原则 2. 2. 均衡原则均衡原则 principle of homogeneityprinciple of homogeneity 均衡指各组间非处理因素应尽可能相同 ，即各组具有齐同性（或可比性），从而 使处理因素的作用得以正确显示。 随机分组是保证组间均衡性的基本方法随机分组是保证组间均衡性的基本方法 。 用用方差分析方差分析或或卡方检验卡方检验对实验组和对照对实验组和对照 组的非处理因素的差别进行均衡性检验组的非处理因素的差别进行均衡性检验 均衡原则均衡原则 principle of homogeneityprinciple of homogeneity 常用的均衡化方法：常用的均衡化方法： 交叉均衡(cross homogeneity)； 分层均衡(stratified homogeneity)。 例：采用自身对照设计比较两种处理 的效果，受试者8人，现有两种方案 ： 1.第一次实验：8A，第二次实验：8B 2.第一次实验：4A，4B 第二次实验：4B，4A 例：在两家医院进行某项临床试验， 现有两种方案： 1.甲医院的病例作为实验组，乙医院 的病例作为对照组； 2.甲、乙两医院的病例均随机分为实 验组和对照组。 例1 某医生观察用ADI预防肠道传染病的效果， 安排如下实验，在甲幼儿园观察100名儿童(甲100名) 服用ADI(+)，在乙幼儿园观察100名儿童(乙100名)服 用ADI()。观察结果，甲幼儿园肠道传染病发病率 ()，乙幼儿园肠道传染病发病率()。据此得出结 论：ADI对肠道传染病有预防作用。 甲(100)ADI(+) 乙(100)ADI(-) 使甲、乙两幼儿园儿童都分成两组，50名服 用ADI，50名不服ADI，这样就使非处理因素得 到了均衡。 这时若经统计学检验服ADI组的发病率低于 未服ADI组，则说明 ADI有效。 例2 某单位研究野菊花艾叶香在预防感冒及 空气消毒的效果。对象为某幼儿园分住三个楼次 的儿童。中楼是中班(160人)，东楼是小班(80人 )，此两楼燃香；西楼是大班(160人)，不燃香做 为对照。结论为该香无预防感冒效果，但有空气 消毒作用(肉汤平板上菌落较少)。 例3 某医院欲了解新拟的中医辨证治疗方案对 消化性溃疡的疗效，以西药雷尼替丁作对照，将住 院的166例消化性溃疡患者随机分为两组，分组后各 组按中医分型的构成如表2。 在用小白鼠作为受试对象的实验 中，实验者用手随意地、一次又一次地从 笼子中抓小白鼠，每次抓一只，将先抓到 的n1只放入对照组，后抓到的n2只放入试 验组。 对照原则 principle of controlprinciple of control 均衡原则 principle of homogeneityprinciple of homogeneity 随机原则 principle of randomizationprinciple of randomization 重复原则 principle of replicationprinciple of replication 实验研究的基本原则实验研究的基本原则 3. 3. 随机化原则随机化原则 principle of randomizationprinciple of randomization 随机化的意义 随机抽样(random sampling) 随机分组(random grouping) 随机的概念随机的概念 随机指被研究的样本是从所研究的总体中 任意抽取的，也就是说从研究的总体中抽取样 本时，要使每一个观察单位都有同等机会被分 配到观察组或对照组。 3. 3. 随机化原则随机化原则 n随机随便 n病人的选择性：对医院、治疗医生、 药物 n医生的选择性：对病人分组 n其他：疾病自身的规律、病人的年龄 、性别等 n后果：影响疗效的判断；由于不随机 ，各组差异不符合概率论和统计学原理，使 统计学检验结果无效 随机化的意义随机化的意义 随机抽样保证样本对总体的代表性，使研 究结果可以外推到目标人群。 随机分组保证组间可比性，即消除或减少 非处理因素对研究结果的影响。 随机实验保证每组接收的处理因素随机。 统计学处理的要求。 随机抽样随机抽样 随机抽样是在一个或多个已知总体中获得有代表 性的研究样本。抽样框架必须是有限总体，如某地的 居民数、某地的育龄妇女数、某学校的肥胖儿童数等 。抽样框架的附加信息，如居住地、职业、性别、年 龄，是选择抽样方法的重要依据。 观察单位（observation unit）即研究的个体， 根据研究目的而定。 抽样单位(sampling unit)可以与观察单位相同 ，也可大于观察单位。抽样单位要互不重叠，全部 抽样单位正好包括抽样总体中的全部个体。每个观 察单位只能属于一个抽样单位。把全部抽样单位列 出一份清单，就称为抽样框(sampling frame)。 随机抽样随机抽样 单纯随机抽样单纯随机抽样(simple random sampling)(simple random sampling) 系统抽样系统抽样(systematic sampling)(systematic sampling) 分层抽样分层抽样(stratified sampling) (stratified sampling) 整群抽样整群抽样(cluster sampling) (cluster sampling) 多级（多阶段）抽样多级（多阶段）抽样(multi-stage sampling)(multi-stage sampling) 例如 ：某班有100人，现抽取10人参加夏令 营活动，为了体现公平，采取单纯随机抽样。 1）人员编号 1，2，3 2）查随机数字表 12，56，85，99，26，96， 68，27，31，05 3）这些随机数字编号的同学即被抽中 （1 1）简单随机抽样）简单随机抽样 (simple random sampling)(simple random sampling) 简单随机抽样的特点 优点：均数（或率）及标准误的计算简 便。 缺点：当总体例数较多时，编号麻烦。 适用范围：小型调查或实验研究。 间隔抽样或机械抽样。按照一定顺序机械地每 隔若干个观察单位抽取一个组成样本。 抽样的起点必须是随机的，这样系统抽样才是 一种随机抽样的方法。 系统抽样（systematic sampling） 系统抽样方法 随机选取第一个个体后，其余个体按一定数字 规律来抽取。 例如：1000名学生中抽取200人，作样本进行骨 密度调查，抽样间隔1000/200=5，若随机抽取第一号为2， 则抽取的个体为：2，7，12，17， 例：对1/10门诊病人作问卷调查 编号；抽号码为6,16,26,者 优点：易于理解，简便易行。 容易得到一个按比例分配的样 本。 缺点：易产生周期性或趋势的偏性。 样本中个体常常不独立。 适用范围：事先已知分布是随机的。 分层抽样（stratified sampling） 定义：在抽样之前将总体分为同质的、互不重 叠的若干子总体（称为层），然后在每一个层独立地 随机抽取样本。 分层抽样示意图 stratified sampling 先按照某些人口学特征或某些标志（ 如年龄、性别、住址、职业、教育程度、民 族等）将研究人群分为若干组（统计学上称 为层），然后从每层抽取一个随机样本。 按比例分配分层随机抽样，即各层内抽样比 例相同； 最优分配分层随机抽样，即各层抽样比例不 同，内部变异小的层抽样比例小，内部变异大的 层抽样比例大，此时获得的样本均数或样本率的 方差最小。 抽样要求：层内变异越小越好，层间变异越 大越好，因而可以提高每层的精确度，而且便于 层间进行比较。 分层抽样的分类 优点：减少抽样误差， 便于不同层采用不同抽样方 法， 不同层独立进行分析。 缺点：工作量大 适用范围：事先已知分布是随机的。 由若干个有联系的基本单元组成的集合称为群，抽 样时以群为抽样单元的抽样方法就称为整群抽样。 整群抽样示意图： 黄色为总体 棕色为群 白点为基本单元 整群抽样（cluster sampling ） cluster sampling 抽样单位：不是个体而是群体，如居民区、班级、 连队、乡、村、县、工厂、学校等。 抽到的样本包括若干个群体，对群体内所有个体均 给以调查。群内个体数可以相等，也可以不等。 适用范围（要求）：群内变异大而群间变异小 。 例如：全国膳食调查 到乡村一级 优点：便于组织，节省经费，容易控 制调查质量。 缺点：误差大。 Stratified vs Cluster Sampling 各种抽样方法的抽样误差大小 整群抽样单纯随机抽样系统抽样分层 抽样 即分阶段抽样，是大型调查时常用的一种抽样 方法。从总体中先抽取范围较大的单元，称为一级 抽样单元，再从抽中的一级单元中抽取范围较小的 二级单元，这就是两级抽样。还可依次再抽取范围 更小的单元，即为多级抽样。多级抽样常与上述各 种基本抽样方法结合使用。 多级抽样（multi-stage sampling） 总体 第一阶样本 最终样本 多阶抽样示意图： （1）当群具有同质性时，多阶抽样的效率高于整 群抽样； （2）样本的分布比简单随机抽样集中，采用面访 可以节约时间和费用； （3）不需要整个总体单元的名录框，只要群的名 录框和抽中群的单元名录框。 多级抽样优点 （1）效率不如简单随机抽样； （2）通常不能提前知道最终的样本量； （3）调查的组织较整群抽样复杂； （4）估计值与抽样方差的计算较为复杂 。 多级抽样缺点 随机分组随机分组 完全随机化分组 （completely random grouping） 区组随机化分组 （block random grouping） 分层随机化分组 （stratified random grouping） 某医生用海桂愈疡胶囊随机治疗十二 指肠溃疡2例，共观察到2例有效，有效率为 100%，认为该药有效，可以在临床推广。 对照原则 principle of controlprinciple of control 均衡原则 principle of homogeneityprinciple of homogeneity 随机原则 principle of randomizationprinciple of randomization 重复原则 principle of replicationprinciple of replication 实验研究的基本原则实验研究的基本原则 4. 4. 重复原则重复原则 principle of replicationprinciple of replication 重复的意义：重复的意义：重复指各组观察例数要足够， 重复次数越多（即样本量越大），抽样误差 越小，统计推断（即结论）越可靠。 处理组与对照组的受试者都应具有一定的 数量，即要求各组有一定的样本含量。 4. 4. 重复原则重复原则 principle of replicationprinciple of replication 样本太大，加大实验规模，增加实际工 作困难，难以控制实验条件，有可能增加 系统误差； 样本太小，使应有的差别不能显示，结 论不可靠。 盲法原则盲法原则 盲法即使受试者、观察者或/和数据分析者不知道 受试对象的具体分组情况。 盲法的分类： 单盲(single-blind) 双盲(double-blind) 三盲(tri-blind) 仅研究对象不知道接受的处理因素 是什么，而研究人员则知道，其优点是 可以避免研究对象的主观因素所致的偏 差。由于单盲还保留非盲法的优点。即 实施起来容易。在研究对象出现任何变 化时，研究人员容易判断其原因，并决 定是否中止试验或改变方案，以保证处 理因素使用的安全性 。 研究对象和研究人员均不知 道每个研究对象谁分在研究组或 者对照组，施加处理或不施加处 理。这就在很大程度上减少了研 究者与被研究者的主观因素对研 究结果的影响。 是双盲法的扩展，即研究对象 、研究人员和结果分析人员均不知 道研究对象的分组和处理情况，这 种方法在理论上可减少资料分析上 的偏差，但在分析时减弱了对整个 研究工作的全局了解，对研究的安 全性要求较高，在执行时也较严密 ，使得实验研究的可靠性增大。 盲法的实施盲法的实施 盲法通常与安慰剂同时应用。 必须有一套有效的保密制度，以保证双盲法的 顺利实施。 要有安全保证，往往需要一位第三者来监督整 个实验过程，一旦发生意外或不良反应，能及 时查明情况，确定对策。 实验设计中常见错误 重复设置对照、对照不全、缺乏对照 以随意代替随机 样本含量太小 忽视混杂因素的干扰 各组间均衡性不好 常见的错误 实例1 1987年2月1998年7月，收治肝胆管结石并 狭窄的病例68例，用肝叶切除、狭窄胆管切开整形 及胆肠吻合、盲袢置于皮下为主的联合手术方式治 疗，优良率88.4%。 无对照 例2 观察黄芪穴注足三里治疗慢性疲劳综合 征，仅以黄芪肌肉注射作对照，结论为“既有黄 芪的药理作用，又体现足三里穴位的经脉传感之 功效”。 对照不完善 常见的错误 对照不足 例3 有人设计某农药对粮食污染的动物实验 ，观察污染因素对某些指标是否有不利影响，设 计分三组:(1)污染米饲料组;(2)污染带糠皮米饲 料组;(3)非污染米饲料组(对照组)。 常见的错误 例4 观察某中药预防儿童腹泻的效果，在县幼 儿园随