医学统计学实验设计基本原则

研究设计基础 DepartmentofEpidemiology Biostatistics SchoolofPublicHealthNanjingMedicalUniversity 主要内容 1 研究设计的意义2 实验设计的基本原则3 实验设计4 常用的几种实验设计方法5 调查设计 实验设计简介 1935年 Fisher系统介绍研究设计 首次提出研究设计的基本原则 TheDesignofExperiments RAFisher 1890 1962 R A Fisher 1925 系统介绍近代统计学方法TheStatisticalMethodsforResearchWorkers 1 1研究设计的意义 1 合理安排试验因素 提高研究质量 如规定实验组的条件 配置适当的对照组 选择研究方法等 2 控制误差 使研究结果保持较好的稳定性 如对混杂因素的处理 对不同来源变异的分析 维护必要的均衡性等 3 用较少的观察例数 获取尽可能丰富的信息 如采用定量指标 选择线性或非线性回归分析 为使用高效率设计创造条件等 调查 survey 实验 experiment 昆明最好的癫痫病医院昆明治疗癫痫病专科医院昆明最好的癫痫病医院昆明治疗癫痫病医院 1 2研究设计的类型 基本原则之一 对照基本原则之二 随机基本原则之三 重复 2 实验设计的基本原则 研究设计的基本原则 对照 control 随机 randomization 重复 replication 对照的作用对照的种类对照组形式 随机化的作用随机的含义分层随机 分段随机 重复的作用重复的次数 2 1基本原则之一 对照 control 均衡性 1 对等除处理因素外 对照组具备与实验组对等的一切非处理因素 2 同步对照组与实验组设立之后 在整个研究进程中始终处于同一空间和同一时间 3 专设任何一个对照组都是为相应的实验组专门设立的 不得借用文献上的记载或以往的结果或其它研究的资料作为本研究之对照 意义 1 消除干扰因素的影响 2 给一个被比较的标准 使处理因素和非处理因素的差异有一个科学的对比 对照组的作用 对照组的作用 处理组处理因素 非处理因素处理效应 非处理效应对照组 无 非处理因素 无 非处理效应比较结果处理因素处理效应排除 非处理因素 的影响 从而衬托出 处理因素 的作用 对照组的作用 处理组处理因素 非处理因素处理效应 非处理效应比较结果 非处理因素处理因素 非处理效应处理效应 常用对照种类 1 空白对照对照组不施加任何处理因素 2 实验对照对照组不施加处理因素 但施加某种实验因素 3 标准对照不设立专门的对照组 而是用现有标准值 正常值作对照 实验研究一般不用标准对照 因为实验条件不一致 4 自身对照对照与实验在同一受试者身上进行 5 相互对照各实验组间互为对照 如比较新药与旧药的疗效 6 历史对照以本人过去的研究 他人研究结果与本次研究结果作对照 2 2基本原则之二 随机 random 客观性 1 抽样随机每一个符合条件的实验对象参加实验的机会相同 即总体中每个个体有相同的机会被抽到样本中来 2 分组随机每个实验对象分配到不同处理组的机会相同 3 实验顺序随机每个实验对象接受处理先后的机会相同 随机与随意 随机 random机会均等 客观性随意 aswill随主观意愿 主观性随机化分组 不仅能控制已知的混杂因素 非研究因素 而且还能控制未知的混杂因素 简单随机随机分组随机排列分层随机 随机的方法 简单随机分组示意 136643557604384708218061555871 136643557604384708218061555871 ABBBABAAAB 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 A组B组 随机排列示意 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 136643557604384708218061555871 排列 8 1 7 5 9 3 4 2 6 10 2 3基本原则之三 重复 repeated 可靠性 1 整个实验的重复 确保实验的重现性 以提高实验的可靠性 2 用多个实验单位进行重复 样本含量 避免把个别情况误认为普遍情况 把偶然性或巧合的现象当作必然的规律 通过一定数量的重复 使结论可信 3 同一实验单位的重复观察 保证观察结果的精度 影响样本含量的因素 数据的种类个体的变异组间的差别指标间的相关程度设计方法各组例数的分配I型错误和II型错误研究的质量 2 查表 样本例数的计算 1 公式计算 例 两均数比较时的样本含量估计 两组相等 I类误差 常取0 05 II类误差 常取0 20 0 101 把握度 标准差 个体变异 两个总体的差值 专业认可 例 降血脂 20mg L 30mg L 0 05 1 90 时Q1 Q2N1 1784 6823 7922 81221 92161 19406 N 78时Q1 Q21 1 190 04 688 93 785 02 875 61 954 41 1935 6 例 n1固定 n2增加时 Power的变化趋势 n1 20Q1 Q2PowerQ1 Q2Power1 10 55891 60 78821 20 68241 70 79601 30 73301 80 80261 40 76011 90 80741 50 77691 100 8113 20mg L 30mg L 0 05 图n1固定 n2增加时 Power的变化趋势 r n2 n1 power r 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 5 6 7 8 9 试验组和对照组样本含量不等 两组的比例不超过1 4 4 1 样本含量的影响因素 数据的种类 定量 等级 定性个体的变异 变异小 样本含量少组间的差别 差别大 容易鉴别 n少指标间的相关程度 相关大 n少设计方法 各组例数的分配 均衡时 n少I型错误和II型错误 小 n大研究的质量 实例1 规定实验组适应症为 破膜和总产程都不超过24小时 无感染 无阳性体征 血常规正常 以及第一胎产后本人同意放置宫内节育器者 另将筛选剩下的827例作为对照组 不放置宫内节育器 本例 两组除处理因素 放置节育环 不同 受试对象的基本条件也不同 试验组较好 而对照组差 缺乏可比性 中华妇产科杂志 1985 20 1 49 50 剖腹产同时放置宫内节育器735例的初步观察 将施行剖腹产手术1562例中的735例作为实验组 在剖腹产的同时放置宫内节育器 比较两组被观察对象的术后出血 恶露干净时间和术后副反应等情况 实例2 乳腺癌发病危险因素的研究 研究采用病例 对照方法调查607对病例与对照 配对的条件是年龄相仿 上下不超过5岁 原文在未作假设检验的情况下 认为 两组年龄相仿 年龄病例组人数对照组人数20 3630 728440 19324450 22819960 1016770 107中华流行病学杂志 1981 2 4 253 2 17 25 P 0 004 实例3 对治疗炎症的某注射液作临床试验 以另一注射液为对照 适应症为生殖道感染疾病或口腔感染疾病 研究者设计了3个组 试验组 30例生殖道感染 30例口腔感染对照组 30例生殖道感染 30例口腔感染开放组 外科感染疾病28例 滴虫性阴道炎15例 开放组为了增多试验组病例 研究者将试验组和开放组合并 并与对照组作比较 问题所在 对照组缺乏均衡性 讨论1 欲观察丹栀逍遥散治疗混合性焦虑抑郁障碍的临床疗效 以某西药作为对照组 将64例符合入组和排除标准的病例按诊疗次序交替分组 即单号为中药组 双号为西药组 请讨论 该分组方法是否符合随机原则 丹栀逍遥散治疗混合性焦虑抑郁障碍的临床研究 河南中医2004年第24卷第8期第62页 讨论2 利多卡因手控定量雾化吸入治疗激素抵抗型哮喘的研究 目的是观察定量手控雾化吸入利多卡因治疗激素抵抗型 SR 哮喘的疗效 受试者吸入利多卡因3个月 观察治疗前后临床疗效和口服激素减停剂量的情况 利多卡因手控定量雾化吸入治疗激素抵抗型哮喘的研究 临床内科杂志2004年6月第21卷第6期415页 讨论3 通过回顾分析某院1990年1月至1998年3月期间28例单宫颈双子宫畸形早孕人工流产的结果 发现人流术前先给予米索前列醇素制剂可使流产更容易 安全 减少病人痛苦且可避免并发症的发生 两组的分组方法为 所有病例按就诊先后顺序分组 1995年10月以后为A组 1995年10月以前为B组 A组 米索组 于术前3小时顿服米索600 g或术前1小时后穹窿放置米索200 g 然后进行人工流产吸宫术 共14例 B组 对照组 单纯采用常规流产术机械扩张宫颈后吸宫 作者认为该法 符合随机分配法则 请讨论 对照组的设置是否合适 单宫颈双子宫畸形28例人工流产分析 中国实用妇科与产科杂志1999年3月第15卷第3期172页 讨论4 作者对30例疑为食管原性胸痛患者的24小时食管pH值监测 其中16例昼夜均异常 8例白天异常 2例夜里异常 18例胸痛与酸暴露相关 得出食管pH监测是诊断胃食管反流所致的食管原性胸痛的有效方法之结论 请讨论 该文结果是否成立 用24小时食管pH监测法诊断食管原性胸痛 中华外科杂志1995年33卷第2期第69页 问题所在 不符合研究设计三原则 3实验设计 3 1实验设计的特点 1 研究者能人为设置处理因素 2 受试对象接受何种处理因素 水平是由随机分配而定的 3 能使多种实验因素包括在较少次数的实验中 更有效地控制误差 达到高效的目的 3 2实验设计的分类 根据受试对象不同 分为 1 动物实验 2 临床试验通常局限在患病人群中 3 社区干预试验在某个地区的所有人群中进行 持续时间一般较长 目的是通过干扰某些危险因素或施加某些保护性措施 然后了解它们在人群中产生的预防效果 例在饮水中加氟防龋齿的人群试验 3 3实验设计的基本要素 1处理因素 treatment 2受试对象 object 3实验效应 effect 1处理因素 studyfactor treatment 研究者根据研究目的欲施加或欲观察的能作用于受试对象并引起直接或间接效应的因素 称为处理因素 研究因素与混杂因素 研究因素 主要研究指标 与研究结果 效应 相联系 混杂因素 干扰研究结果的指标 例 电针引产 研究因素 产妇状况 产妇状况成功失败合计成功率初产42817660470 9 经产1283916776 6 P 0 145 例 电针引产 混杂因素 胎膜状况 胎膜状况成功失败合计成功率已破3188039879 9 未破23813537363 8 P 0 000 例 电针引产 混杂因素在两组的分布胎膜产妇状况已破未破已破率初产33127354 80 经产6710040 12 P 0 001 例 电针引产 混杂因素不同状态时 研究因素的分析 胎膜产妇状况例数成功成功率P已破初产33125877 9 0 030经产676090 0 未破初产27317062 3 0 332经产1006868 0 常见的混杂因素 年龄 性别病程 病情疾病史 家族史 伴发疾病工作性质 工作环境生活习惯 条件 考核某种药物 治疗方法的疗效药物与疗法属处理因素 影响疗效的一些非处理因素 如病人的性别 年龄 病型 病程 病情 健康 营养状况 医护人员的照护等等 在病人分组试验中 各组病人除处理因素不同之外 各组病人非处理因素应通过随机化尽量加以控制 使之均衡一致 对混杂因素的处理 采用良好的设计 排除 平衡 严格的质量控制 减少干扰设计时考虑 改为修饰因素观察和记录混杂因素的强度 并考虑用统计学方法进行修饰 控制 处理因素标准化 处理因素标准化就是保证处理因素在整个实验的过程中始终如一 保持不变 如不同批号的同种种药物手术开始阶段不熟练 后期熟练 2受试对象 1 动物选择种系的选择 种类 品系 动物个体的选择 如年龄 性别 体重 窝别 营养状态等 2 病例选择正确诊断纳入标准排除标准 例在考核抗菌药物疗效时 病人入选标准是 1 成年人 18 65岁 男女不限 2 经临床确诊 患有急性细菌感染需要进行全身抗菌药物治疗的患者 3 细菌学证实 即致病菌培养阳性 4 病人无严重肝 肾 心脏及造血系统疾病 5 病人需知情同意等 病人的排除标准是 1 药物或食物过敏史者 2 过敏状态 如过敏性疾患合并感染 3 造血功能障碍 特殊情况例外 4 妊娠及哺乳期妇女 5 精神状态不能很好合作者 6 正在应用其它抗菌类药物者等 3实验效应 关联性客观性准确性与精确性敏感性与特异性 指选用的指标必须与研究目的有本质联系 主要通过查文献 预备试验和理论分析等提出的 关联性 客观性 客观指标是测量和检验的结果 是借助仪器来回答的 能够重复 主观指标是由受试者回答 医生自己判断 化验室的检查结果 物理学检查结果 病理学的诊断意见 细菌学培养结果如某药治疗慢性胃炎的疗效 选用胃镜下活体组织的病理学诊断结果 作为判断治疗效果的观察指标更为客观可靠 准确性与精确性 准确度是指观察值与真值的接近程度 主要受系统误差的影响 精密度是指重复观察时 观察值与其平均数的接近程度 其差值属于随机误差 敏感性与特异性 如研究某药治疗缺铁性贫血的效果 可选用临床症状 体征及血红蛋白 也可选用血清铁旦白含量的变化作为观察指标 但前三者作为观察指标不够灵敏只有在缺铁较为严重的情况下才会出现血红蛋白的变化和贫血的症状 体征 若选用血清铁旦白的含量作为观察指标 则可敏锐地反映处理因素的效应 处理因素实验研究的基本要素 受试对象实验效应降压药高血压病人血压值变化处理因素受试对象实验效应 4常用的几种实验设计方法 一 完全随机设计 二 配对设计 三 配伍组设计 一 完全随机设计 completelyrandomdesign将受试对象按随机化的方法分配到各个处理组中 观察实验效应 仅涉及一个处理因素 故又称单因素设计 不受组数的限制 各个处理组样本例数可以相等 也可以不等 但相等时效率较高 A组 B组 完全随机设计例 四种饲料喂养大白鼠后的肝重比值 组间变异SS组间 Sumofsquaresbetweengroups n1n2n3n4 方差分析表 Bartlett的方差齐性检验 2 4 069 P 0 2 两两比较 q检验 DCBA3 32003 09752 68502 4025 结论 方差分析 ANOVA 及SNK两两比较结果表明 四种饲料喂养大白鼠后的肝重比值不完全相同 F 10 40 P0 05 完全随机设计例3 研究中药骨碎补对高脂血症的治疗和预防作用 取家兔44只 随机分成四组 每组11只 每间隔5周测定血清胆固醇一次 共测四次 包括给药前一次 整个实验期为15周 各组处理如下 造型组 每日以0 3g胆固醇灌胃 治疗组 每日以0 3g胆固醇灌胃 于实验开始的第5周起每日肌注100 骨碎补液1 7ml kg 预防组 每日以0 3g胆固醇灌胃 于实验开始之日起即每日肌注100 骨碎补液0 8ml kg 对照组 每日肌注生理盐水0 8ml kg 血清胆固醇含量 mg 各组平均血清胆固醇含量 mg 各组各时点平均血清胆固醇含量图示 造型组 治疗组预防组对照组 分析思路 四组是否具有可比性 造型是否成功 对照组是否稳定 骨碎补对高脂血症的预防和治疗效果如何 预防和治疗的显效时间 预防和治疗的持续时间 1 给药前四组的比较 预防组造型组治疗组对照组均数 90 0988 3679 4575 55方差 444 25390 47333 47290 69方差分析F 1 474 P 0 2360服从齐性检验 2 0 489 P 0 9213说明4个组的初始条件一致 2 造型是否成功 以实验时间为X 周 以对应时间点的胆固醇含量之均数为Y造型组的直线回归分析 X 051015Y 88 36324 00484 90750 50t 15 855 P 0 001说明造型组在实验期内血清胆固醇含量持续上升 造型是成功的 3 对照组是否稳定 以实验时间为X 周 以对应时间点的胆固醇含量之均数为Y对照组的直线回归分析 X 051015Y 75 5588 0977 9073 50t 0 487 P 0 5说明对照组在实验期内血清胆固醇含量不随时间而改变 是稳定的 4 第5周时四组均数的比较 造型组治疗组预防组对照组均数 324 00323 00140 0988 09F 5 45 P 0 005第5周时预防组与造型组的均数间差别有统计学意义 而与对照组差别无统计学意义 说明在第5周时已有预防作用 5 第10周时四组均数的比较 造型组治疗组预防组对照组均数 484 90252 5594 2777 90F 9 78 P 0 001第10周时治疗组与造型组的均数间差别有统计学意义 与预防组 对照组差别无统计学意义 说明治疗已起效 预防组有持续效果 第15周时四组均数的比较 造型组治疗组预防组对照组均数 750 50140 90108 0073 50F 9 78 P 0 001结论同第10周时 结论 对家兔肌注骨碎补液 预防组于用药第5周时已见防止血清胆固醇升高的作用 直至第15周仍保持与对照组接近的水平 治疗组于用药第5周 即实验期第10周 时已见胆固醇下降 至用药第10周 即实验期第15周 时降至与对照组接近的水平 说明骨碎补对家兔具有预防和治疗高血脂症的作用 正确应用完全随机设计 完全随机设计是最常用的一种设计方法 不受组数的限制 各组样本含量可以相等 也可以不等 但在总样本含量不变的情况下 各组样本含量相等时的设计效率最高 对照组可以不止一个 各组应达到均衡一致 各处理组应同期平行进行 对个体间同质性要求较高 在个体同质性较差时 完全随机设计并不是最佳设计 二 配对设计 paireddesign是将受试对象按一定条件配成对子 再随机分配每对中的两个受试对象到不同处理组 配对的因素是影响实验效应的主要非处理因素 自身配对异体配对 配对的原则 条件相近 对内同质 正确应用配对设计 当实验对象的同质性欠佳时 采用配对设计可以提高处理组间的可比性和均衡性 配对设计的成败取决于配对的条件 只有当两组观察值间的相关大于0时 配对才是成功的 且能提高检验效能 当采用左右配对设计时 实验因素的效应必须是局部的 不可以通过神经 体液等途径影响对侧 采用自身前后配对设计时 应考虑到环境 气候或疾病的自然进展等引起的效应改变 配对设计的资料结合相关或回归分析 有时能得到更丰富的结论 例题 高粘综合症患者的血沉较快 某大夫观察A B两个降粘药物对血沉 mm h 的影响 结果如下 试作统计分析 A B两个降粘药物对血沉 mm h 的影响 疗前疗后差值A药组38 7 2 40630 3 2 9468 4 2 221B药组40 1 2 51423 9 3 38116 2 3 425 分析思路 疗前两组比较 以分析可比性 各组疗前疗后差值分别比较 分别确定各自的变化值 两组疗前疗后差值相互比较 分析两组的效果是否相同 分析结果 1 疗前两组比较 t 1 2721 P 0 2195 可以认为两组具有可比性 2 A组疗前疗后比较 td 11 9594 P 0 0000 可以认为A药治疗后血沉减慢 B组疗前疗后比较 td 14 9556 P 0 0000 可以认为B药治疗后血沉减慢 3 两组治疗前后差值相互比较 t 6 0419 P 0 0000 可以认为B药降低血沉的效果优于A药 结论 统计分析结果表明 两组疗前具有可比性 t 1 2721 P 0 2195 无论是A药还是B药 治疗后均使血沉减慢 td 11 9594 P 0 0000 td 14 9556 P 0 0000 B药降低血沉的效果优于A药 t 6 0419 P 0 0000 三 配伍组设计 randomizedblockdesign亦称随机区组设计 是配对设计的扩充 是将几个受试对象按一定条件划分成配伍组 区组 再将每一配伍组的各受试者随机分配到各个处理组中去 总体同质性差 部分同质性好 区组化区组控制 区组内随机 随机区组设计 区组内同质 随机 单向区组控制示意 配伍组设计例1 将人的血滤液放置不同时间 测定其血糖浓度 放置时间分4种 0 45 90 135分钟 取八个健康人的血液 各分成4份 按配伍组设计 结果见下表 配伍组设计的方差分析 两两比较结果 血滤液的放置时间与血糖浓度的关系 lg 103 Y 0 282021 0 006881 Time lg 103 Y 0 282021 0 006881 Time 结论 人血滤液中的血糖浓度在放置0 135分钟期间 随时间的延长而下降 起初下降不明显 而后逐渐加快 成指数下降 正确应用随机区组设计 配伍组设计是配对设计的扩展 在个体同质性较差时 采用配伍设计可以提高各处理组间的可比性和均衡性 同一区组内的个体应尽可能同质 实际上配伍设计是两因素多水平的试验 由于每种组合只作一次试验 故不能分析交互作用 采用配伍设计时 要尽可能使观察值不缺失 虽然有估计缺失值的方法 但缺失时信息损失较大的 盲法 偏倚 bias 单盲法 病人不知自己接受何种治疗 双盲法 病人和医护人员都不知患者的分组和接受何种治疗 5 调查设计 江苏省慢性非传染性疾病基础资料调查 了解我省高血压 冠心病 脑卒中 糖尿病 恶性肿瘤的患病率 死亡率 分布特征及其与经济水平 吸烟 饮酒 膳食营养 体力活动等因素的关系 为采取相应的预防措施提供依据 抽样地区35岁以上常住 五年及以上 居民 1997 10 1998 6 随机抽样方法 单纯随机抽样系统抽样分层随机抽样整群抽样 抽样方法 采用多阶段分层随机整群抽样法 苏北城市点盐城市城区 01农村点徐州市铜山县 02农村点淮阴市金湖县 03苏中城市点南京市鼓楼区 04农村点扬州市高邮市 05农村点南通市海门市 06农村点泰州市泰兴市 07苏南城市点苏州市平江区 08城市点常州市钟楼区 09农村