医学科研设计实验研究设计VIP

实验设计 天津医科大学公共卫生学院卫生统计学教研室芦文丽 异丙酚对小白鼠胃肠道蠕动功能的影响 目的观察异丙酚对小白鼠胃肠蠕动功能的影响 方法48只小白鼠随机平均分为口服生理盐水组 NO 口服异丙酚组 PO 和静注生理盐水组 NI 静注异丙酚组 PI 用药量均为0 02ml g 分别于口服给药20分 静脉给药10分后 经口灌入亚甲蓝液0 2ml 经30分后 采用颈椎脱臼法将小白鼠处死 打开腹腔 剪开肠系膜 将肠管轻拉成直线 以幽门为起点测量 1 亚甲蓝在肠管内移动距离D 2 小肠全长L 幽门 回盲部 计算 移动率 MR D cm L cm 结果MR 分别为NO组8 8 0 5 8 2 9 7 PO组19 8 2 0 15 0 24 0 NI组6 4 0 6 5 4 7 5 PI组14 7 1 5 11 7 17 2 试验组非常显著地高于各自对照组 P 0 01 结论异丙酚无论口服还是静注 对小白鼠胃肠道蠕动都具有一定促进作用 朱科明等 中华麻醉学杂志1999 19 2 住院广泛性焦虑障碍患者音乐疗法效果分析 目的探讨音乐疗法在广泛性焦虑障碍治疗中的应用效果 方法将80例广泛性焦虑障碍患者按就诊顺序随机分为观察组和对照组 每组各40例 对照组给予常规药物治疗和护理 观察组在此基础上配合音乐治疗 疗程1月 两组患者在治疗前和疗程结束后分别应用焦虑自评量表 SAS 和汉密尔顿焦虑量表 HAMA 评定疗效 结果疗程结束后 两组患者SAS和HAMA评分较治疗前具有显著性差异 P 0 001 但观察组较对照组分值下降有显著性差异 P 0 001 结论音乐治疗是调节精神心理状态和改善情绪的最佳手段之一 对广泛性焦虑障碍患者的情绪改善有明显的促进作用 通过利用音乐的节奏 曲调 和声 结合患者的文化程度 病情 爱好 欣赏水平等制作个体化的音乐处方 能够缩短疗程 缓解患者症状带来的痛苦 促使患者早日达到临床康复 值得在临床中推广应用 康建华张帆 中外健康文摘 2009 主要内容 实验性研究与观察性研究的界定科研设计的内容实验设计的基本要素受试对象处理因素实验效应实验设计的基本原则对照随机重复 常用的实验设计方法完全随机设计配对设计交叉设计随机区组设计析因设计正交设计拉丁方设计 科研设计 良好的科研设计是顺利进行研究和数据分析的先决条件 也是获得预期结果的保证专业设计从各专业角度考虑研究 实验或调查 的科学安排 包括选题 建立假说 确定研究对象和技术方法 统计设计从统计学角度考虑设计的科学性和逻辑性 是研究结果具有重现性 更可靠 更科学 经得起时间的考验是对资料收集 整理和分析全过程的设想和安排包括确定设计类型 估计样本含量 选定统计指标和统计分析方法 医学科学研究 实验性研究 实验研究设计研究者能人为的给予干预措施 研究者能人为的设置处理因素受试对象接受何种处理因素和水平是由随机分配决定的观察性研究 调查研究设计研究者不能人为的施加干预措施 同时研究对象接受何种处理因素或统一处理因素的不同水平也不是由随机化决定的 学习要求 实验性研究与观察性研究的界定科研设计的内容实验设计的基本要素受试对象处理因素实验效应实验设计的基本原则对照随机重复 常用的实验设计方法完全随机设计配对设计交叉设计随机区组设计析因设计正交设计拉丁方设计 实验研究的基本要素 实验研究是在受试对象 动物 人体 器官 组织 身上 施加某些因素 如药物 手术或其他治疗手段 通过对某些指标的观察 最后得到实验结果 找到所要阐明的问题 实验研究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 实验设计的基本要素 受试对象处理因素实验效应 异丙酚对小白鼠胃肠道蠕动功能的影响 目的观察异丙酚对小白鼠胃肠蠕动功能的影响 方法48只小白鼠随机平均分为口服生理盐水组 NO 口服异丙酚组 PO 和静注生理盐水组 NI 静注异丙酚组 PI 用药量均为0 02ml g 分别于口服给药20分 静脉给药10分后 经口灌入亚甲蓝液0 2ml 经30分后 采用颈椎脱臼法将小白鼠处死 打开腹腔 剪开肠系膜 将肠管轻拉成直线 以幽门为起点测量 1 亚甲蓝在肠管内移动距离D 2 小肠全长L 幽门 回盲部 计算 移动率 MR D cm L cm 结果MR 分别为NO组8 8 0 5 8 2 9 7 PO组19 8 2 0 15 0 24 0 NI组6 4 0 6 5 4 7 5 PI组14 7 1 5 11 7 17 2 试验组非常显著地高于各自对照组 P 0 01 结论异丙酚无论口服还是静注 对小白鼠胃肠道蠕动都具有一定促进作用 朱科明等 中华麻醉学杂志1999 19 2 受试对象 Subject 受试对象是处理因素作用的客体 根据研究目的确定 受试对象的选择 种类 营养状态 数量实验研究根据研究对象的不同 分为三类 动物实验 animalexperiment 临床试验 clinicaltrial 社区干预试验 communityinterventiontrial 处理因素 treatment 处理因素根据研究目的而施加的特定试验措施 受试因素 处理 因素 每个因素在量和强度上的不同称为水平 level 单因素单水平 单因素多水平 在单因素的实验中 因素的某一个水平就是一种处理 多因素多水平 在多因素实验中 多个因素不同水平的组合是不同的处理表现为实验对象在实验过程中所具体接受的某个因素或多个因素不同水平的组合 确定处理因素要注意 要抓住实验中的主要因素要分清处理因素和非处理因素非处理因素 与处理因素相对应并同时存在 能使受试对象产生效应的因素 可干扰所研究因素与实验效应间关系的观察及分析 混杂因素confounder 处理因素应当标准化处理因素在整个实验中应始终保持不变 包括处理因素的施加方法 强度 频率和持续时间等 实验效应 experimenteffect 处理因素作用下受试对象所引起的反应 response 和结局 outcome 称为实验效应 通常通过实验指标 统计学指标 变量variable 来反映 观察指标的选择 指标种类 定量指标定性指标等级指标一般情况下应首选定量指标作为实验观察指标 客观性 观察指标有主观指标和客观指标之分 主观指标 被观察者主观感觉 记忆 陈述或观察者主观判断的结果 随意性 偶然性客观指标 借助测量仪器或实验室检查手段获得的结果因此应尽量选用易于量化的客观指标作为实验观察指标 如实验室检查化验数据 准确度和精密度 精密度precision 是指对同一对象同一指标重复测量时 观察值与均数的接近程度 其差值受随机误差影响 准确度accuracy 是指观察值与真值的吻合程度 主要受系统误差的影响 实验效应指标应该即准确又精密 特异性和敏感性 特异性specificity 表示该指标能鉴别真阴性的能力 特异性高的指标最易揭示处理因素的作用 不易受混杂因素的干扰 敏感性sensitivity 则是表示该指标检出真阳性的能力 敏感性高的指标可减少假阴性率 对外界刺激反应灵敏 即若处理因素发生了较小的变化 则该观察指标也能相应地发生变化 观察指标的选择 指标种类 观察指标可分为定量指标 定性指标和等级指标 一般情况下应首选定量指标作为实验观察指标 客观性精确性灵敏性和特异性可操作性可操作性越强的指标 越易为人们所接受 所获得的数据就有可能越准确 指标的观察 控制误差的产生 分析结果与真实值之间的差值称为误差 一 系统误差systematicerrors系统误差是由某种固定的因素造成的 在同样条件下 重复测定时 它会重复出现 其大小 正负是可以测定的 最重要的特点是 单向性 系统误差可以分为 根据产生的原因 一 方法误差 是由于分析方法不够完善所引起的 即使仔细操作也不能克服 如 选用指示剂不恰当 使滴定终点和等当点不一致 二 仪器和试剂误差 仪器误差来源于仪器本身不够精确如砝码重量 容量器皿刻度和仪表刻度不准确等 试剂误差来源于试剂不纯 基准物不纯 三 操作误差 分析人员在操作中由于经验不足 操作不熟练 实际操作与正确的操作有出入引起的 如器皿没加盖 使灰尘落入 滴定速度过快 坩埚没完全冷却就称重 沉淀没有充分洗涤 滴定管读数偏高或偏低等 初学者易引起这类误差 四 主观误差 另一类是由于分析者生理条件的限制而引起的 如对指示剂的颜色变化不够敏锐 先入为主等 以上误差均有单向性 并可以用对照 空白试验 校准仪器等方法加以校正 系统误差的控制 对照试验校准仪器 二 偶然误差Randomerror 又称随机误差 是由一些随机的偶然的原因造成的 如环境 湿度 温度 气压的波动 仪器的微小变化等 其影响时大时小 有正有负 在分析中是无法避免的 又称不定误差 偶然误差的产生难以找出确定的原因 难以控制 似乎无规律性 但进行多次测定 便会发现偶然误差具有很多的规律性 象核外电子运动一样 概率统计学就是研究其规律的一门学科 后面会部分的讲授 特点 a 正负误差出现的概率相等 b 小误差出现的机会大 大误差出现的概率小 在实际分析中 真实值难以得到 常以多次平行测定结果的算术平均值代替真实值 绝对偏差 d 个别测得值x 测得平均值相对偏差 绝对偏差 平均值 1000 有正负号 偏差的大小反映了精密度的好坏 即多次测定结果相互吻合的程度 而准确度的好坏可用误差来表示 标准差 变异系数 随机误差的估计 指标的观察 指标观察过程中的偏性 bias 偏倚 问题盲法 blindmethod 为避免研究中来自受试对象和观察者 统计分析人员等主观因素的影响 采取是其不了解受试对象的分组情况 SingleblindmethodDoubleblindmethodTripleblindmethod 实验设计的基本原则 对照的原则 control 随机的原则 randomization 重复的原则 replication 对照的原则 对照的意义 只有正确的设立对照 才能平衡非处理因素对实验结果的影响 从而把处理因素的效应充分暴露出来 有比较才有鉴别 对照是比较的基础设立对照是控制混杂因素和偏倚不可取少的手段 对照设置的原则 对照的基本要求是实验组与对照组除处理因素不同外 其它条件应尽量保持一致 即所谓的保持实验条件的均衡性或齐同条件可比的原则 均衡的原则 常常是实验成败的关键 对照的分类 空白对照安慰剂对照实验对照标准对照自身对照相互对照历史对照 空白对照 blankcontrol 空白对照指对照组不接受任何处理因素在动物实验中常见 用来评价测量方法的准确度 观察试验是否处于正常状态 本底值检测社区干预试验 可行性 偏性 安慰剂对照 placebocontrol 安慰剂 placebo 是一种无药理作用的 假药 或称 伪药物 其外观如剂型 大小 颜色 重量 气味及口味等与试验药物一致 它不含药物的有效成分 不能为受试对象所识别 设置安慰剂的目的在于克服研究者 受试对象 评价者等由于心理因素所形成的偏倚 实验对照 experimentalcontrol 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 实验组 对照组 赖氨酸 Bread Bread 实验对照 experimentalcontrol 实验组 对照组 Greentea water 自身对照 selfcontrol 对照和试验在同一受试对象身上进行实验前后比较 标准对照 standardcontrol 用现有标准方法和常规方法 或者用标准值和参考值做对照 常见错误分析 未设对照对照不当对照不足 应补加对照样本太小配对过头多余对照 随机化 randomization 随机原则的含义随机抽样随机分组实验顺序随机化 随机化的方法抽签法随机数字表随机排列表 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到或分到不同的实验组和处理组 完全随机化 completelyrandomization 直接对受试对象进行分组 分组后各组受试对象的例数不一定相等 步骤 编号 受试对象按一定顺序编号 动物可按体重 患者可按就诊顺序 取随机数 随机数字表 计算机确定组别 可按事先设定规则 奇偶 随机数 K后按余数 随机化 randomization 随机化 randomization 完全随机化 completelyrandomization 直接对受试对象进行分组 分组后各组受试对象的例数不一定相等 实例 分层随机化 stratifiedrandomization 事先按可能影响实验过程或结果的主要混杂因素对受试对象分层 然后在每一层内进行完全随机化 步骤分层编号排序 将受试对象按主要混杂因素相近的原则分层 编号取随机数 随机数字 计算机确定组别 奇偶 随机数 K取余数 随机化 randomization 随机化 randomization 分层随机化 stratifiedrandomization 事先按可能影响实验过程或结果的主要混杂因素对受试对象分层 然后在每一层内进行完全随机化 实例 重复的原则 重复的原则的两层含义重复观察与实验次数样本含量的大小 重复是指在相同的实验条件下 进行多次研究或多次观察 以提高实验的可靠性和科学性 影响样本含量估计的因素 估计样本含量的先提条件 实验允许的第一类错误的概率 提出所期望的检验效能 1 对实验精度的要求 即容许误差 观察指标的变异程度 即标准差 参数获得途径预试验文献检索专家意见 确定样本含量的用途 估算达到有统计学意义的最低样本含量估计检验效能对于现有的实验结果 已知样本含量 可以根据总体的差值估计实验的检验效能是否够大 测量容许误差按已知样本含量 估计有1 的把握发现多大的差异 单个样本均数和配对检验 两个样本均数比较 Samplesize Twosamplerandomizedparalleldesign2 sidedtest 0 05 1 90 2hr 1hr 样本率与总体率的比较 两样本率的比较 配对计数资料 多个样本均数比较 多个样本率比较 完全随机设计 Completelyrandomdesign 定义设计模式优缺点统计方法实例分析 完全随机设计 不考虑个体差异的影响 仅涉及一个处理因素 但可以有两个或多个水平 所以亦称单因素实验设计 该设计常用于将受试对象按随机化原则分配到处理组和对照组中 各组样本例数可以相等 也可以不等 但相等时效率高 完全随机设计 优点 对比分明 设计简便 统计分析比较简单 缺点 只能依靠随机化的方法减少混杂因素的干扰 处理因素单一 统计分析方法 t检验 方差分析 秩和检验 卡方检验 完全随机设计 设计 先将实验对象编号 按预先规定 利用随机排列表或随机数字表产生的随机数字将实验对象随机分配到各组中去 用随机排列表进行分组时 各组例数相等 用随机数字表进行分组时 各组例数常不相等 故常用前者 配对设计与配伍组设计 paireddesign randomizedblockdesign 先按配比条件将受试对象配成对子或区组 再将各对或各区组中的个体按随机分配的原则给予不同的处理 该类设计考虑了个体差异的影响 可分析处理因素和个体差异对实验效应的影响 所以又称两因素实验设计 比完全随机设计的检验效率高 随机区组设计 配对设计 paireddesign 配对设计是将受试对象按配对条件配成对子 每对中的个体接受不同的处理 配对设计一般以主要的非处理因素作为配比条件 而不能以处理因素作为配比条件 动物实验中 常将同性别 同窝别 体重相近的两个动物配成一对 人群试验中 常将性别和年龄 生活条件 工作条件相同或相近的两个人配成对子 再按随机化原则把每对中的受试对象分别分配到实验组和对照组 或不同处理组 配对设计 paireddesign 某些医学实验研究中的自身对照也可看作是配对设计如某指标治疗前后的比较 同一受试对象不同部位 不同器官的比较 同一标本不同检测方法的比较 配伍组设计 randomizedblockdesign 配伍组设计亦称随机区组设计 是配对试验的扩大 该设计是将受试对象先按配比条件配成配伍组 每个配伍组有三个或三个以上受试对象 再按随机化原则分别将各配伍组中的受试对象 分配到各个处理组 配对设计与配伍组设计优点 该类设计是按配比条件将受试对象配成对子或配伍组 从而排除了诸多非处理因素对实验的影响 保证了各组间的可比性 减少了抽样误差 该类设计增加了区组信息 可以减少样本含量 提高统计效率 配对设计与配伍组设计缺点 由于受配对或配伍条件的限制 有时难以将受试对象配成对子或配伍组 从而损失部分受试对象的信息 即使区组内有一个受试对象发生意外 也会使统计分析较麻烦 自身配对时 2种处理施加于受试对象的顺序效应会混杂在实验效应中 要避免这一情况 可采用交叉设计 交叉设计 cross overdesign 概念设计模式特点应用范围统计分析注意事项 交叉设计 cross overdesign 将研究样本随机分组 各组分别先后接受两种或多种处理方式 只是顺序不同 即在前一种处理效应完全消失后 给予下一种处理 对两组接受两种或多种处理的不同效应进行比较 二处理 二阶段交叉设计多处理 多阶段交叉设计 设计模式 两处理两阶段交叉试验设计 研究样本2n B A STAGEI A B STAGEII DATAI DATAII DATAIII DATAIV AB组 BA组 WASHOUTSTAGE 交叉设计 cross overdesign 是在自身配对设计基础上发展起来的 该设计考虑了一个处理因素 A B两水平 两个与处理因素无交互作用的非处理因素 试验阶段和受试对象 对试验结果的影响 交叉设计因素分析 按研究目的讲 两处理两阶段交叉试验设计是一个两水平的单因素设计一个因素 药物 两个水平 A B 从分析角度讲 两处理两阶段交叉试验实际上是一个有三个因素的多因素试验 因素1 处理因素 药物 因素2 处理顺序 受试对象个体差异 因素3 试验阶段 阶段I和阶段II 交叉设计 cross overdesign 优点 1 具备自身配对的全部优点 如减少个体差异对处理因素的影响 节省样本含量等 2 能控制时间因素 试验阶段 对处理方式的影响 因而优于自身对照设计 3 各试验对象皆接受了试验因素和对照 符合医德要求 析因实验设计 factorialexperimentaldesign 是一种将两个或多个因素的各水平交叉分组 进行实验 或试验 的设计 它不仅可以检验各因素内部不同水平间有无差异 还可检验两个或多个因素间是否存在交互作用 interaction 若因素间存在交互作用 表示各因素不是独立的 一个因素的水平发生变化 会影响其它因素的实验效应 反之 若因素间不存在交互作用 表示各因素是独立的 任一因素的水平发生变化 不会影响其它因素的实验效应 析因实验设计 factorialexperimentaldesign 设计常见的设计模型有2 2析因实验设计2 2 2析因实验设计2 2 3 2析因实验设计 析因实验设计 factorialexperimentaldesign 2 2析因设计是指有两个因素 每个因素各有两个水平 共有4个组合 设A1代表A因素1水平 A2代表A因素2水平 设B1代表B因素1水平 B2代表B因素2水平 交叉组合后的2 2析因设计模型如下 析因实验设计 factorialexperimentaldesign 例某医师欲研究A B两药是否有治疗缺铁性贫血的作用 以及两药间是否存在交互作用 用何试验设计可达到研究者的研究目的 并做出设计分组 第一组 A1B1 A药 B药 一般疗法第二组 A1B2 A药 一般疗法第三组 A2B1 B药 一般疗法第四组 A2B2 一般疗法 实例1 甲乙两药治疗高胆固醇血症的疗效 胆固醇降低值mg 问 甲乙两药是否有降低胆固醇的作用 主效应 两种药间有无交互作用 完全随机的两因素2 2析因设计 析因设计的4个实例 实例2 小鼠种别A 体重B和性别C对皮内移植SRS瘤细胞生长特征影响的结果 肿瘤体积cm3 问 A B C各自的主效应如何 三者间有无交互作用 完全随机的三因素2 2 2析因设计 实例3 研究小鼠在不同注射剂量和不同注射频次下药剂ACTH对尿总酸度的影响 问 A B各自的主效应如何 二者间有无交互作用 随机区组的两因素3 2析因设计 析因实验设计 factorialexperimentaldesign 优点 是一种高效率的实验设计方法 不仅能够分析各因素内部不同水平间有无差别 还具有分析各种组合的交互作用的功能 缺点 与正交试验设计相比 属全面试验 因此 研究的因素数与水平数不宜过多 拉丁方设计 Latinsquaredesign 是按拉丁方阵的字母 行和列安排实验 或试验 的三因素等水平的设计 该设计同时考虑三个因素对试验结果的影响设计的基本要求 必须是三个因素的实验 且三个因素的水平数相等 若三因素的水平数略有不同 应以主要处理因素的水平数为主 其它两因素的水平数可进行适当调整 三因素间是相互独立的 均无交互作用 各行 列 字母所得实验数据的方差齐 拉丁方设计 Latinsquaredesign 利用拉丁方阵安排实验 或试验 拉丁方阵亦称 阶拉丁方或 拉丁方 是用 个拉丁字母排成 行 列的方阵 每个字母在每行每列中只出现一次 如4 4拉丁方 ABCDBCDACDABDABC 拉丁方设计 Latinsquaredesign 例某肿瘤研究所拟通过动物实验研究四种抗癌药物的抑癌作用 同时考虑四个不同剂量和不同瘤株对抗癌药物的作用 用何实验设计可达此研究目的 实验过程是用四种瘤株匀浆接种小白鼠 七天后分别用四种抗癌药物 各取四种不同剂量腹腔注射 每日一次 连续10天 停药1天 处死后解剖测瘤重 拉丁方设计 Latinsquaredesign 设计步骤 根据主要处理因素的水平数 确定基本型拉丁方 并从专业角度使另两个次要因素的水平数与之相同 因三因素皆有四个水平 选用4 4基本型拉丁方 ABCDBCDACDABDABC 拉丁方设计 Latinsquaredesign 设计步骤 先将基本型拉丁方随机化 然后按随机化后的拉丁方阵安排实验 可通过对拉丁方的任两列交换位置 或 及任两行交换位置实现随机化 拉丁方设计 Latinsquaredesign 设计步骤 规定行 列 字母所代表的因素与水平 通常用字母表示主要处理因素 拉丁方设计 Latinsquaredesign 1 优点 拉丁方的行与列皆为配伍组 可用较少的重复次数获得较多的信息 双向误差控制 使观察单位更加区组化和均衡化 进一步减少实验误差 比配伍组设计优越 2 缺点 要求三因素的水平数相等且无交互作用 虽然当三因素的水平数不等时 可以通过调整次要因素的水平数以满足设计的要求 但有时无法达到 况且因素间可能存在交互作用 故在实际工作中有一定的局限性 当因素的水平数 较少时 易受偶然因素的影响 为了提高精确度 可应用m个 拉丁方设计 正交设计简介orthogonaldesign 当实验涉及的因素有三个或三个以上 且因素间可能存在交互作用 正交设计的因素水平数可以相等 也可以不等 正交设计是利用一套规格化的正交表 将各试验因素 各水平之间的组合均匀搭配 合理安排 可以用较少的 有代表性的处理组合数 提供充分有效的信息 还可以找出较优组合 用以指导实践 因而是一种高效 快速的多因素实验设计方法 正交试验设计 正交试验设计的一般步骤为 1 确定所研究的因素和水平 2 选择合适的正交表 安排试验 3