生物医学实验设计

实验设计（ Designing Experiments ）,内容提要,第一节 实验设计的基本要素第二节 实验设计的基本原则第三节 常用的实验设计方案第四节 误差和偏倚第五节 样本含量的估算第六节 临床试验设计,设计 实验设计 调查设计 专业设计 统计设计 专业设计 统计设计,第一节 实验设计的基本要素,实验设计三要素： 受试对象(object)处理因素(treatment)实验效应(experimental effect),1、受试对象 受试对象或称研究对象是处理因素作用的客体，是根据研究目的确定的研究总体。 研究目的不同, 医学研究的对象可以是人、动物和植物，也可以是某个器官、细胞和血清等生物材料。,按试验对象，实验可以分为三类：动物实验(animal experiment), 其受试对象为动物；临床试验(clinical trial), 其受试对象通常为患者；现场试验(field trial), 其受试对象通常为正常人群。,受试对象应作严格的规定，以保证其同质性(homogeneity)和代表性 同质性：动物的种类、品系、年龄、性别、体重、窝别和营养状况等。人群的性别、年龄、民族、职业、文化程度和经济状况、病情和病程等。 代表性：随机抽样受试对象应满足两个基本条件：一是对处理因素敏感；二是反应必须稳定。 选择受试对象应明确其纳入标准(inclusion criteria)和排除标准(exclusion criteria)。,2、处理因素处理因素或受试因素：根据研究目确定的欲施加或欲观察的、并能引起受试对象直接或间接效应的因素，简称处理或因素(factor)。是根据研究目的确定的主要因素，处理因素在整个实验中应始终要保持不变 非处理因素：与处理因素可能同时存在的能使受试对象产生效应的非研究因素。非处理因素干扰效应与所研究因素间关系的观察与分析，常常又称混杂因素(confounder)。,处理因素种类：生物性、化学性、物理性处理因素水平：每个因素在数量上或强度上可有不同。 单因素单水平：研究某药物对原发性高血压患者的降压作用； 单因素多水平：研究某药不同剂量的降血糖作用； 多因素单水平：比较不同药物或不同疗法对某病的治疗效果； 多因素多水平：临床上探索某肿瘤的联合化疗方案等。,3、实验效应 实验效应是处理因素作用于受试对象的反应(response)和结局(outcome)，它通过观察指标(统计学常将指标称为变量)来体现。 观察指标应具有客观性、精确性、特异性和灵敏性。,客观性：客观指标则是借助测量仪器和检验等手段来反映的观察结果，客观指标具有较好的真实性和可靠性。 主观指标是受试对象的主观感觉、记忆、陈述或实验者的主观判断结果；而。主观指标具有随意性和偶然性。精确性：包括准确度(accuracy)和精密度(precision)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； 精密度指重复观察时，观察值与其均数的接近程度，其差值属于随机误差。特异性和灵敏性：某指标的特异度(specificity)反映其鉴别真阴性的能力，灵敏度（sensitivity）则反映其检出真阳性的能力。特异度高的指标不易受混杂因素的干扰；灵敏度高的指标能将处理因素的效应更好地显示出来。,4)指标的盲法观察： 为消除或最大限度地减少主观偏性，在设计时常采用盲法(blind method)。 单盲法(single blind method)：受试对象不知道自己分在哪一组； 双盲法(double blind method)：受试对象和实验执行者均不知道受试对象分在哪一组 三盲法(triple blind method)：受试对象、实验执行者和统计分析人员三者均不知道受试对象分在哪一组,第二节 实验设计的基本原则,实验设计的基本原则对照(control)随机化(randomization)重复(replication),1、对照原则目的： 显露处理因素的效应； 控制混杂因素和偏倚； 判断不良反应。对照的形式：(1)安慰剂对照(placebo control)(2)空白对照(blank control) (3)实验对照(experimental control) (4)自身对照(self control) (5)标准对照(standard control),2、随机化原则 随机化是使每个受试对象都有同等的机会被抽取或分到不同的实验组和对照组。随机化形式 (1)抽样的随机 (2)分组的随机 (3)实验顺序的随机,完全随机化(1)编号 将n个受试对象编号，动物可按体重大小，患者可按就诊顺序。(2)取随机数 可从随机数字表或计算器或计算机获得。每个受试对象获得的随机数可是一位数，也可是两位数或三位数，一般要求与n的位数相同。(3)确定组别 根据受试对象获得的随机数决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。例1 试将同性别、体重相近的30只动物分到A、B、C三组。 先将动物按体重编号，再从本书后面所附随机数字表中任一行如第16行最左开始连续取30个两位数字。最后将这30个两位数字分别除以3，余数0、1、2分别对应于A、B、C三组,分层随机化分层随机化步骤：(1)编号排序 将每层的受试对象编号排序，如体重从轻到重，时间由前至后等。(2)取随机数 从随机数字表或计算器或计算机获得。每个受试对象可取两位数。 (3)确定组别 根据每层受试对象获得的随机数的大小顺序决定受试对象在哪一组。对每个处理也可规定顺序，如处理A, B, C, 分别对应于序号1, 2, 3, 。,3、重复原则 重复是指在相同实验条件下进行多次研究或多次观察。重复的情形： (1)整个实验的重复（2）用多个受试对象进行重复有足够的样本含量(sample size)，（3）同一受试对象的重复观察 重复最主要的作用是估计实验误差。,第三节 常用的实验设计方案,完全随机设计配对设计随机区组设计交叉设计析因设计,完全随机设计 1、设计模式：,交叉设计设计模式： 阳性 阳性 甲组（方案A） 洗 方案B对象 阴性 脱 阴性 阳性 期 阳性 乙组（方案B） 方案A 阴性 阴性,随机区组设计 例3 如何按随机区组设计，分配5个区组的15只小白鼠接受甲、乙、丙三种抗癌药物？ 方法为先将小白鼠的体重从轻到重编号，体重相近的3只小白鼠配成一个区组，见表4-6。在随机数字表（附表15）中任选一行一列开始的2位数作为1个随机数，如从第8行第3列开始纪录，见表4-6；在每个区组内将随机数按大小排序；各区组中内序号为1 的接受甲药、序号为2的接受乙药、序号为3的接受丙药，,川芎嗪对新生大鼠缺氧缺血性脑损伤的保护作用,实例：,通过对各实验组动物脑组织MDA、SOD、NO生化指标的比较，进一步阐明氧自由基及NO损伤在新生儿HIE的发病机制中的重要作用及川芎嗪抗新生儿HIE的作用机制。,江西医学院实验动物部提供7日龄SD新生大鼠，雌雄各半。数量共40只,研究目标,研究对象,研究目标和研究对象,对照及分组情况,按随机区组设计如下：假手术组、HI组、川芎嗪组和川芎嗪组共四组，每窝4只鼠为一区组，共10窝，每窝随机分配至各处理组。,为对照组。只切开皮肤游离左颈总动脉，不进行缺氧处理。于缺氧前30分钟腹腔注射等量生理盐水。,假手术组,HI组,结扎左颈总动脉，并缺氧2小时。于缺氧前30分钟腹腔注射等量生理盐水。,川芎嗪组：,结扎左颈总动脉，并缺氧2小时。于缺氧前30分钟腹腔注射川芎嗪注射液100mg/Kg。,川芎嗪组,于HI后即刻腹腔注射川芎嗪注射液100mg/Kg。,采用随机区组实验设计方差分析及X2检验,统计分析方法,第四节 误差和偏倚,误 差(error),误差的概念及分类,偏 倚（bias）,四、误差和偏倚,偏倚,偏倚的概念及种类,在实验过程中由于某些非实验因素的干扰所形成的系统误差。,选择性偏倚,选择性偏倚的概念及其防止措施,由于纳入观察对象的方法不正确而产生的偏倚。,测量性偏倚的概念,导致测量性偏倚常见因素,测量性偏倚的防止措施,混杂性偏倚的概念及其防止与控制措施,混杂性偏倚,在总结分析阶段，由于某些非实验因素与实验因素同时并存的作用影响到观察结果，造成混杂性偏倚,第五节 样本含量的估计,影响样本含量估计的因素 1. 第一类错误概率的大小。越小所需样本含量愈多， 2. 检验功效(1)或第二类错误概率的大小 检验功效愈大，第二类错误的概率愈小，所需样本含量愈多。 3. 容许误差 容许误差愈大，所需样本含量愈小。 4. 总体标准差或总体概率 反映资料的变异度。愈大，所需样本含量自然愈多。总体概率越近于0.50，则所需样本含量愈多。,样本含量估计的方法 样本含量的估计方法： 查表法：查有关样本含量表， 计算法：根据假设检验的公式反推。,样本均数与总体均数比较（或配对比较）,例：用某药治疗矽肺患者，估计可增加尿的排出量，标准差89.0mmol/L,要求以=0.05，=0.10的概率，能够辨别出尿的排出量平均增加35.6mmol/L，需观察多少例矽肺患者？,两样本均数比较 A、两样本含量相等,例：A、B两种处理的动物冠状静脉血流量实验，A处理平均增加血流量1.8ml/min， B处理平均增加血流量2.4ml /min，已知两处理标准差相等，均为1.0ml/min,=0.05=0.10，要得出两处理有差别的结论，需观察多少实验动物？,例、用新药降低高血脂患者的胆固醇，研究者规定试验组与对照组（安慰剂）相比，平均降低20/L以上，才有实际推广应用价值。以参考文献中得知胆固醇的标准差为30/L。规定单例=0.05，=0.10，要求估计样本含量。,若有条件做到两组例数相等，则：,例：研究碳酸铝对白细胞减少症的治疗效果，已知患者白细胞数治疗后比治疗前平均增加了109/L，标准差为1.2109/L。规定=0.05（双侧检验），=0.10，求样本含量。,例：拟用单纯随机抽样方法，了解某地区成年男子血色素的平均水平，要求误差不超过2g/L，=0.05（双侧），从参考文献得知成年男子血色素的标准差约为25g/L，问需调查多少人？,例：拟用A、B、C三种方案治疗血红蛋白小于100g/L的婴幼儿贫血患者，比较这三种方案的疗效。经预试验测得各方案治疗后血红蛋白增加的均数分别为：18.5g/L,13.2g/L,10.4g/L; 标准差分别为11.8g/L,13.4g/L,9.39g/L;规定=0.05（双侧），=0.10，问各组需观察多少例？,例、拟在某小学观察三种矫治近视眼方法的效果,初得A法有效率为37.87%,B法有效率为18.75%,C法为27.78%。问每种方法各需观察多少例？,第六节 临床试验设计,规范性文件 中华人民共和国药品管理法新药审批办法药品临床试验管理规范(Good Clinical Practice, GCP)化学药品和生物制品临床试验的生物统计学指导原则,临床试验的分期 I期临床试验为新药研究的起始期，往往在数名志愿者身上进行，必要时可包括病人。初步的临床药理学及人体安全性评价 期临床试验为新药临床评价最为重要的一期。盲法的随机对照试验(RCT)，对新药的有效性和安全性作出初步评价，推荐临床给药剂量。 期临床试验为扩大的多中心临床试验，进一步评价药物的有效性、安全性。 期临床试验为药品上市后的监测应用 治疗效果评价（药物、放射、基因等） 预防措施效果评价 病因学因果效应研究,特殊问题： 1、研究对象的选择： 临床试验的研究对象必须是临床已确定诊断的“典型”病人。最好能从病例总体中随机抽取研究对象，以确保样本的代表性。否则其结果不能推理到病人总体。病人的一些特征如病情的严重程度、性别、年龄等均会对疗效产生影响。2、诊断标准 有2层意思：一是病例的诊断标准，应为确诊的、统一的标准；二是入选试验的病人对象的标准，可限制一些条件，但必须严格执行。标准不清楚，容易产生错误分类误差，因而影响疗效的评价。3、样本大小的估计 在进行临床试验时要注意有适宜的样本数，样本过少，回减低研究效率，得不出研究结果；样本过大则导致不必要的浪费，更会影响研究的质量。治疗方案的有效率、显著性水平和把握度对样本的大小有影响。 估计的方法有公式法和查表法。,4、设立对照组 目的：消除疾病自愈倾向的影响；确定治疗的副作用和不良反应。 方法：随机同期对照，在同一病人群体中设立对照组和试验组 自身对照，病人治疗前后自身的比较 配对设计对照，按一定的特征、条件（如同年龄组、同性别、病情严重程度相同等）将病人配成对子，对子之一给予处理措施，另一不给该措施。5、随机分组 其目的是确保两组在某些特征上的可比性。随机的方法可用简单随机法（随机数字表）和区组随机法。6、盲法的应用 即让某些人不知道研究的分组情况及每组所采取的措施的方法。目的是避免试验者和受试者的偏倚和主观偏见。盲法的具体方式有： 单盲：即研究者和研究对象有一方不知道研究的分组情况。 双盲：即研究者和研究对象均不知道每个研究对象的分组情况。 三盲：即研究者和研究对象以及资料分析人员均不知道研究的分组情况。 公开试验：即研究者研究对象均知道研究的分组情况。有些研究一定要用公开试验，如手术疗效的考核。