试验设计（一实验设计）（master）

研究试验设计,童新元 中国人民解放军总医院,试验设计之一,名家名言 世间有思想的人应当先想到事件的终局，随后着手去做。 -伊索(古希腊预言家,公元前620-560),长江上第一座大型水电工程-葛洲坝,现实案例：文革中的长江葛洲坝 1970年葛洲坝仅据规划性文件，采边设计、边勘测、边施工方针匆忙上马，致质量差（浇混疑土不合格炸掉162万立方米），进度慢，浪费大（设计未完成，已花费人民币2.6亿元）。 周恩来称：葛洲坝是我一块心病。 1972年停工2年，重新设计。 1988年12月长江葛洲坝水电站建成。,世界上规模最大的水电站-三峡大坝（1994-2012）,2009年6月27日，上海闵行区发生一栋在建13层楼整体倒塌。,一、研究设计的重要性,建造一座大坝、大桥、一座大厦， 如果事先没有良好的设计就会倒塌，同样，进行一项科学研究，如果事先没有良好的设计科研就会失败。 科研设计如同建筑设计一样举足轻重。,二、医学中的案例,典型统计案例1：胃冰冻疗法 1962年, 美国明尼苏达医学院一位外科教授，根据动物实验和24名患者的治疗结果，在学术会上报告了胃冰冻方法治疗胃溃疡有效。于是制造胃冰冻机2500台上市，治疗病人上万例。使胃冰冻疗法风行一时。 但该疗法最终被科学正确的临床试验否定，验证胃冰冻方法无效。,经典案例2 结核病金制剂疗法,20世纪20至30年代，治疗结核病的金制剂疗法普遍流行，印度很多名医为此让病人采用，发表论文数以百计论证金制剂疗法的有效，并曾将金制剂疗法作为定论编入医学院的讲义。 20世纪50年代，医学上采用了有均衡对照的临床试验(controlled clinical trials)，作出否定金制剂疗法治疗结核病的结论。,经典案例3 绿豆治百病大法,2010年5月28日央广新闻报道，养生明星张悟本挂号费高达2000元，被称为京城最贵的中医。他的书上市6个月销量突破300万册，书中宣扬的“绿豆治百病大法”引发市场绿豆涨价，他提出每天一斤绿豆煮水喝能治近视、糖尿病、高血压还能治肿瘤等，这到底是科学还是谬论？,典型统计案例4： 疾病治疗方法的研究 -医学历上第一次有控制的干预试验 1747年，英国J. Lind医生发现一类患者的主要症状是：要症状是皮肤、牙龈以及黏膜上出血点。这些出血点主要集中在腿部。患者脸色苍白，情绪低落并且伴有一定程度的活动障碍，双膝无力等。这类疾病首次被希波克拉底 (公元前460年380年)描述。,研究设计方案,现代医学认为是这坏血症的常见症状。 问题：坏血症如何治疗？ 讨论：研究设计方案,当时英国对这病采用的治疗方案有6种： 1）苹果汁； 4）泻药； 2）桔子和柠檬； 5）硫酸丹剂； 3）醋； 6）大蒜和芥子.,如何评价6种治疗方案的有效性？,1747年5月20日，Lind医生将12名病情相同似的患者带到一艘船上。分为6组每组两人，分别给予下列6种干预： A组：每天饮1夸脱苹果汁； B组：服25滴硫酸丹剂，每天3次； C组：服2匙醋，每天3次； D组：每天饮约半品脱海水，服缓和的泻药； E组：每天食2个桔子，一个柠檬； F组：每天服由大蒜、芥子等成份组成的干药。 其中，Lind医生的试验将病情最重的2名患者分到D组泻药是当时流行的治病方法。,结果,当6月16日,船返回英国Plymouth港时，所有患者的病情都有好转。其中 E组恢复的最快、最好，其中一人到第6天就可以工作了。 B组也有一人比登船时健康。 Lind医生的试验并没有给出明确的结论.,试验的评价,试问: 这个干预试验的优点? 这个干预试验的不足?,用现代统计学的观点看，Lind医生的干预试验有两点符合统计学要求： 一是设有对照组：6个干预相互比较； 二是质量控制：所有患者在同一条船上，便于监督服药和观察病情。,无对照试验和质量控制不严而导致研究结果“失真”的例子，在现代医学研究中也常发生。,试验的优点,Lind医生的干预试验，还应做到： 1采用随机分组方法，保证各组干预效果的可比性。试验将病情最重的2名患者分到泻药D组，D组的干预效果不及E组和B组也可能是病情所致，未必是干预的真实效果。 2有足够多的试验病例。 3用假设检验的方法比较多组间的差别，以推论本次试验的结果是否对所有坏血病患者都有效。,试验的不足,4病例确诊 所有受试者应为经临床和实验室检查确诊的坏血病患者，保证研究的同质性。 5Lind医生的干预效果评价用的是“病情是否好转”，属主观定性指标。采用血清抗坏血酸的含量、尿中抗坏血酸排出量等定量客观指标更好。,坏血病的对症治疗,直到160年后，1907年,医学专家通过动物实验才真正从科学意义上解释了E组疗效最好的真正原因。 坏血病的对症治疗是补充维生素C。,启示,研究设计的好坏，直接关系到研究结果的可靠信，任何设计上的缺陷，都不能期望事后弥补。 一项有问题的科研设计，不仅浪费资金，而且会导致试验的失败，甚至得出错误的结论，对后来的科研产生误导作用。,很多科研工作者仅依赖现有的专业知识进行研究，只是在实验做完后才开始想到运用统计学知识，从而导致研究试验的失败。 在试验开始之前，就必须运用统计学知识考虑试验设计方案是否科学可行。,三、研究设计知识,英国统计学家费歇尔(Ronand A. Fisher,1890-1962), 在进行农业田间试验时首先提出。他发现在田间试验中，环境条件难以严格控制，随机误差不可怱视。故提出对试验方案必须作合理的安排，以减少误差的影响，从而提高研究试验的可靠信。,1、误差及其来源,观察值（实际值）与真实值（理论值）之差称之为误差（error）。,误差的来源,由于生物个体的变异性等原因使得误差在医学领域中广泛存在，误差有三个来源： 1）过失误差 2）系统误差 3）随机误差 不同的误差应采取不同的方法进行处理。,1）过失误差（gross error）,是由于观察者的错误造成的误差。比如观察者记录错误，计算错误，数据录入错误，度量衡单位错误，甚至故意修改数据导致的错误。 科学研究中过失误差是不允许的，必须通过加强数据管理人员的责任心，完善检查核对制度来避免和消除过失误差，以保证数据和结果的真实性。,2）系统误差 (systematic error),系统误差（systematic error）又称为偏倚(Bias)，是试验因素之外的某些非试验因素干扰造成的实测值与真值之差。 系统误差的产生原因复杂,主要是由于设计人员、受试者、观察者、研究者、仪器设备、研究方法及外部环境的非试验因素等原因的影响造成的有一定的变化规律的误差。,产生系统误差的原因,（1）仪器的差异 （2）方法的差别 （3）试剂的差异 （4）条件的差异 （5）顺序的差异 （6）人为的差异,系统误差处理方法,系统误差对研究结果的影响很大。但是系统误差一般是恒向、恒量的，且有其特定的变化规律，所以可以通过严格、科学的实验设计将其减小或控制在最小范围之内。但不能通过统计分析方法来加以控制。,3）随机误差 (random error),随机误差 是由于实验对象个体的变异及一些无法控制的因素波动而产生的误差。 是排除过失误差、系统误差之后尚存在的误差。 如：正常成年人的体重，身高、心率各不相同。,随机误差的特点,随机误差是由多种无法控制的因素引起，其大小和方向是随机变化。随机误差不可避免但是有规律，它以零为中心呈正态分布，所以可以利用概率统计学的方法对随机误差进行估计。,随机误差的产生,随机误差包括两类： 随机抽样误差 随机测量误差,抽样误差（sampling error）,抽样误差（sampling error） 是在随机抽样研究中，由于抽样而引起的样本统计量和总体参数之间的差异。 抽样误差的大小主要取决于个体之间变异程度的大小和样本含量的多少，变异程度越大，样本含量越小，抽样误差就越大；反之亦然。,减少抽样误差方法,减少抽样误差要选择自身变异小的实验对象，如选择来自同一动物，同一批的实验材料，同时各实验对象的条件保持一致如动物的饲养环境、处理的措施等。,随机测量误差（random measurement error）,随机测量误差指在同一条件下对同一观察单位的同一指标进行重复测量所产生的误差。 由于医学科学技术水平的限制，随机测量误差目前也是无法避免的，只能尽量提高仪器设备的准确性和精密性来控制随机测量误差在容许的范围之内。,2、研究设计的定义,在科学研究时，对研究方案作合理的安排，采用适当的研究试验次数，以减少随机误差的影响，减少试验的成本并能对数据进行有效的分析，提高研究试验的可靠信，从而实现研究目的。 研究设计包括专业设计与统计设计两个部份。,第二节,统计设计主要是依据研究目的，从研究的现况条件出发，规定研究因素、选择效应指标、确定研究对象的引入方式方法和规模，拟实施的方法、方案，及数据收集、整理分析的模式,直至结果的解释,从而获得可靠的信息与结论。,3、研究设计的类型,在医学研究中，根据观察者是否主动施加干预而分为两类： 干预研究设计（实验研究） 调查研究设计 （观察研究）,干预研究设计,是指研究者根据研究目的、通过对受试对象施加干预，严格控制各种影响因素，获得干预研究结果。,干预研究设计的类型,动物实验设计 临床试验设计 社区干预试验设计,动物实验,把动物,细胞,微生物等作为实验对象,对其施加某种干预，获得实验结果。 临床医学研究中，常常先进行动物实验，然后根据获得的结果，逐步过渡到人体。 例如, 研究不同浓度药物对大鼠毒性强度的设计。,临床试验,临床试验(clinical trials) 把病人作为试验对象,对其施加某种干预，获得实验结果。是为了探索疾病临床阶段，对病人身心无大损伤的试验。目的多为某种药物及某项疗法的效果观察。 例如, 研究采用某新降糖药治疗糖尿病人疗效的设计。,社区干预试验设计,是在某一地区或街道内人群中进行, 对调查对象施加某种干预，获得试验结果。 社区干预试验常常是观察一项保护措施对干扰某种危险因素致病的效果。 例如,研究对新生儿注射乙肝疫苗预防乙型肝炎发病的作用。,观察研究,是指对特定对象群体进行调查，影响被调查者因素是客观存在的，研究者只能被动地了解和如实记录。调查时，研究条件难以控制，只有通过合理分组、设置对照等手段尽可能地减少干扰。,例如关于吸烟与肺病关系的研究必定是观察研究而非干预研究，因为没有人会仅仅因为科学研究自愿同意抽烟。研究者不可能将试验对象随机分为两组，一组让它吸烟，一组不吸烟。,四、干预研究设计的基本内容,1）试验设计的三要素,1、试验因素 2、试验对象 3、试验效应,1、试验因素,试验因素是根据研究目的，研究者希望着重研究的某些条件或方法。亦称处理因素。 如不同治疗方法、用药种类、用药剂量等。,试验因素个数与实验因素水平数,研究中，如果只有一个实验因素，则称为单因素，两个以上称为多因素。 为了分析实验因素的产生作用，常要将实验因素分为不同的水平下进行。 如药物的不同剂量数，不同时间点数等。 试验因素个数和水平数常要根据专业而定。 建议 ”少而精“。,试验因素与干扰因素,试验因素是研究者希望着重考察的某些条件或方法。而对实验结果有一定影响的其他因素则称为干扰因素，又称非实验因素或混杂因素。 如研究3种饲料的营养效果的实验中，老鼠的窝别，进食量等为干扰因素。 在新药临床试验中，病人年龄、性别等为干扰因素。,2、试验对象,实验对象是指接受实验因素作用的对象，亦称实验单位。,试验对象种类,人 动物 微生物 细胞 分子 基因,3、试验效应,试验效应 指实验因素施加于实验对象后所起的作用。 任何效应都是通过指标的具体取值反映出来的，所以效应指标是鉴定效应的尺度。,效应指标分类1,按效应指标的表现形式分三类: 定量指标 定性指标 等级指标, 定量指标(变量)： 是能通过工具测量获得具体数值的指标。诸如个体身高、体重、血压、脉搏和血细胞计数等变量均可经测量取得数值。,定性指标(变量)： 是表现为互不相容的类别或属性的指标。如药物反应之阴性和阳性，治疗结果病人生存死亡等。,等级指标(变量) ： 是表现为有顺序等级的类别或属性的指标。例如, 临床中常以,+,+,+等表示若干等级。药物疗效可分为治愈、有效、无效和恶化四个等级。,效应指标的分类2,按效应指标的来源分二类: 客观指标 是借助仪器测量、检验所得的结果.如测量人的身高、血压等指标； 主观指标 是由受试者或研究者主观判断的指标.如病情的程度、治愈情况等。,效应指标的分类3,按效应指标的重要性来分二类: 主要指标 是指专业上认为最能准确的反应实验因素作用的效应指标。 次要指标 指其它有一定意义的相关效应指标,如果试验效应指标选择不当，就不能准确反应试验因素的作用，研究结果就缺乏科学性.因此，选择好实验指标是非常重要的环节。,效应指标的选择*,选择指标的依据是具有如下6个方面： 关联性 客观性 灵敏性 可用性（敏感性和特异性） 精确性（精确性和准确性） 稳定性,2）试验设计的三原则,1 、 随机,2、 对照,3、重复,第三节,1、随机化（randomization),随机化就是在抽样或分组时必须做到使总体中任何一个个体都有相同的机会被抽取进入样本，以及样本中任何一个个体都有相同机会被分配到每个组中去。,例如： 研究3种饲料的营养效果的实验。 将60只老鼠随机分为三组，每组分组喂3种不同的饲料。 新药的临床试验。将200病人随机分为二组，一组采用新药，另一组采用对照药。,随机化目的,使各组的试验对象具有相同的特征； 避免试验者主观因素对分组的影响； 保证试验设计分析结果没有偏倚。,随机化案例讨论,一研究生做动物实验，采用两种药物进行试验， 20只老鼠的分组，将先抓到的10只一组，剩下的10只一组。 试进行讨论该分组设计。,随机化案例讨论,在某医院一项新药临床试验，医生提出如下分组： 1 根据医生的意愿分组； 2 根据病人的意愿分组； 3 将上午看病的分一组，下午看病的分为另一组； 随机化确定国产和进口药治疗是上午和下午组； 4 C 将单号看的病人分一组，双号看的病人分为另一组；随机化确定 哪组治疗是单号和双号；随机化确定哪药治疗是单号、双号病人组；,随机化方法,怎样进随机化是试验设计的重要内容，常用的方法有两种： 用查随机数字表； 用计算机随机化程序。 注意：随机不是随意,随机化分组方案,随机化分组是首先将受试对象按某一特征编号，在每个编号下用随机化工具产生相应的随机数字，然后，再按照事先规定的分组原则进行合理的分组。,1 ） 完全随机分组设计,从同一总体中随机抽取一定数目的受试对象，将受试对象随机地分配到每一个组中,各组分别接受不同的处理。这样的设计分组称为完全随机分组设计。,例 现有20个动物试验，分别采用5种不同的方法进行试验，试用完全随机分为5组。,解步骤：1 进入 试验设计模块 点击 试验设计-设计方案-完全随机分组 试验样本总例数： 30， 处理组数：2 1组例数：15 2组例数：15-确定 2 进入结果模块 查看结果 点击 结果,完全随机设计编号分组结果（总例数=20，处理组数=5） 处理01 处理02 处理03 处理04 处理05 7 5 2 1 4 12 9 3 6 10 16 11 13 8 14 17 20 15 19 18 ,2） 配对设计,配对设计是将受试对象按某种相近的特征或条件配成对子，然后同一对子中两个受试对象分别采取不同的处理。 配对设计可分为两种： 同源配对 非同源配对,例 欲比较2种饲料作用是否相同，现取24只老鼠进行实验，它们取自12窝的老鼠，每窝有2只，采用配对设计，试进行配对设计分组。,3） 配伍组设计,如果实验因素有G个水平组，事先将受试对象按某种重要的非实验因素进行分组，即配伍组或区组（block）。每个区组内有G个实验对象，采用完全随机地分配，每个实验对象接受一种不同的处理称为配伍组分组，亦称随机区组设计。,例 要比较5种方法作用是否相同，现取7窝老鼠，每窝有5只老鼠，试进行配伍组分组。 配伍组是由若干特征相似的试验材料组成，如同一窝的动物，批号相同的试剂，体重相近的受试者等。,4）交叉设计简介*,交叉设计是一种自身对照的实验设计方法，可减少实验对象，控制个体差异。 常用的是2X2交叉设计。将试验时间划分为前后两个阶段 ，同一实验对象前后分别采用不同的处理，不同组别的实验对象处理顺序不同。 注间前后两阶段间有洗脱期。,2、对照(Control),有对比才有鉴别，对照是指试验因素的水平数至少有两个，其中一个为对照组。只有通过设立对照才可比较试验效应的差别。 要分析一个药物是否有效，某种疗法是否有效，只有通过同另一种药物、疗法比较才能鉴别。,对照的方式,常见的七种对照方式： 标准对照 相互对照 自身对照 配对对照 空白对照 实验对照 安慰剂对照,1 相互对照(inter- control),是各实验组之间互为对照。 例如, 将受试对象随机分为两组或多个组，各组采用不同的药进行治疗，比较两种药或多种药的差异, 由于各药物之间相互对照，就不必专门设置对照。,2 标准对照(standard control),用现有公认的标准方法或常用方法, 或现有的标准值或正常值作对照。 例如，在实验研究中,以传统方法作为标准对照来研究新方法的作用,在临床试验中,用已知的效果明确的药物作为标准对照。,3 自身对照(self-control),对照和实验在同一受试对象身上进行。 例如, 研究一种降血压的效果时,以用药前的血压作为对照。,4 配对对照(paired control),将受试对象条件相同的两个配成一对，然后分别采用不同的处理。 例如, 研究某药的降糖作用时，按病程和病情相同、性别相同、年龄相近的病人配成一对，然后随机分配到实验组与对照组。,5 空白对照(blank control),是指对照组不给予任何处理。 例如，在动物实验中,一组老鼠用药，另一组不用药，观察其行为功能的变化。,6 安慰剂对照(placebo control),什么是安慰剂？ 安慰剂是一种不含试验药物的有效成分, 无药理作用的物质, 但其外观、大小、颜色、剂型、形状与口味等与试验药完全一致, 不被受试对象识别。,安慰剂对照,使用安慰剂对照不仅有助于防止研究者和受试对象由于心理因素产生的偏倚，而且可以消除疾病自然进程的影响,分析试验药物所引起的真正作用。临床实验中安慰剂效应高达20%-30%。 但安慰剂对照使用时一定要慎重，要不以损害病人健康为前提,并作好保密工作。,7 实验对照(experimental control),对照组采用与实验组操作条件一致的措施，称为实验对照。实验研究中,在许多情况下，只有空白对照常不能控制影响结果的全部因素。,7实验对照(experimental control),例如,动物实验中, 采用家兔研究神经损伤后膜缝合作用的研究中，可以设置空白对照外，应同时设立单纯家兔神经损伤实验对照组，来