第四篇科研设计基础

医学研究设计基础 第一节意义 合理研究方案所要求的基本过程大致可分为以下六个阶段 确定研究目的 建立专业假设 查阅文献资料 制订实验设计 实施实验设计 整理分析实验结果 发表研究成果 评价以上假设 向更高的阶段 良好的设计应是专业设计与统计设计的有机结合 专业设计 选题 查阅文献 假说 预试验统计设计 对象选择 如何分组 样本含量 效应指标 分析方法 设计好 1 节省人力 物力 财力和时间 2 结论可靠 再现性好 3 可估计误差 4 获取多方面知识 设计不好 1 杂乱无章 虽多犹无 2 只能罗列现象 难以找出事物间的规律 调查 survey 还是实验 experiment 1 实验研究 有人为干预 受试对象 人 临床试验 clinicaltrial 人群 社区干预试验 communityinterventiontrial 动物 动物实验 animalexperiment 2 调查研究 无人为干预 被动地观察 如实记录 联系 调查研究可为实验研究提供线索 而实验研究还需要通过调查研究加以证实 第二节实验设计ExperimentalDesign 一 实验研究的基本要素二 实验设计的基本原则三 几种常见随机化分组设计四 样本含量的估计方法五 临床试验设计 一 实验研究的基本要素 降压药 高血压病人 血压值改变 实验研究三要素 受试对象 处理 实验效应 其他干扰因素 其他效应 简称为单元 unit 是指研究人员施加处理的对象 可以是人 也可以是动物 也可以是指其它的材料等 受试对象一般要求具备 合乎实验目的的要求 例如病人必须确诊 病人必须无合并症 同质性 动物必须纯种 健康等 对于处理要敏感 变异要小 稳定 实验动物最好采用同胎动物 要有普遍意义或接近人类的反应 一 受试对象 studysubjects 二 处理 treatment 1 处理因素 简称为因素 factor 在医学科研中 研究者常常要了解实验因素对实验指标的影响 它是人们有意识地给予和控制的 抓住主要处理因素区分处理与非处理因素处理因素必须标准化因素的水平 level 因素的不同剂量等级或不同的状态 2 处理 treatment 对象在实验过程中所具体接受的某一因素或多个因素不同水平的组合 实验效应 experimentaleffect 是指受试对象接受实验处理后所出现的实验结果 通常由人或动物相应的各项指标来反应 因实验的目的不同 一般对指标的要求为 1 针对性指标要能够评价实验的效果 验证实验前所提出的假设 2 客观性客观指标易被接受 也易被他人重复 所以指标的客观性很重要 但医学上存在一些客观指标不能反映病人的主观感觉 如止痛药的止痛效果等 目前尚没有很好的客观指标能够反映 故主观指标也不能完全抛弃 3 测量指标应首选定量指标 后选定性指标 等级指标介于两者之间 4 实验指标选定后 其测定方法要选精确度高 准确性好 特异性强 敏感性好的方法 在临床上还要强调无损害性 是否经济 速度快慢 操作是否方便等 影响实验的效应 除了实验因素之外 还受到混杂因素 简称混杂 confounding 的影响 它在实验过程中也起作用 往往掩盖了处理因素对效应的真实情况 而我们的研究只希望观察真实的处理因素效应 因此 对于混杂的控制 是研究人员必须要考虑的问题 常见的控制方法有二 其一是实验设计控制 将混杂因素作为一个实验条件来控制 即把它控制在不起作用的水平上或使各组处于同一水平上 平衡法 如作为研究对象的年龄有时是某药疗效评价的一个混杂因素 可将试验组与对照组的年龄进行平衡 转为实验因素 有时将混杂因素就作为一个实验因素来对待 其二是统计学手段控制 在实验设计阶段无法控制的混杂因素 事后可采用统计学手段弥补 常用的有分层分析 协方差分析及多因素分析等 干扰因素不能忽视 二 实验设计的基本原则 一 对照 control 原则 二 随机化 randomization 原则 三 重复 replication 原则 一 对照 control 原则 对照的意义 区分处理因素与非处理因素的效应 是比较的必要基础 消除和减少实验误差 处理组 对照组 比较结果 对照的形式 空白对照 blankcontrol 对照组不加任何处理因素 例如 实验组儿童接种疫苗 对照组儿童不接种疫苗 试剂空白 血样空白 无酶解空白 底物空白等 特点 简单易行 但容易引起心理差异 从而影响实验效应的测定 安慰剂对照 placebocontrol 包括 空白对照 实验对照 标准对照 自身对照 相互对照 历史对照 对照的形式 实验对照 experimentalcontrol 施加基础实验条件 非处理因素 含赖氨酸面包 非处理因素 赖氨酸效应 面包效应 非处理因素效应 面包 非处理因素 面包效应 非处理因素效应 赖氨酸赖氨酸效应 非处理因素 非处理因素效应 对照的形式 标准对照 standardcontrol 以现有的标准或正常值作对照 例 某种新的方法能否代替传统方法的研究 某病患者与正常人的某生理 生化指标是否相同 实验室应用较多 对照的形式 自身对照 实验在同一受试对象上进行 特点 简单易行 使用广泛 但若试验前后某些环境或自身因素发生改变 并且会影响试验结果 就难以说明问题 对照的形式 相互对照 几个实验组互相对照 例如 比较几种药物治疗同一疾病的疗效 对照的形式 历史对照 以过去的研究结果作对照 与本人或他人过去的研究结果作比较 不好 尽量不要采用 在临床试验中有时为避免病人及医生的偏性 而采用 双盲法 doubleblindmethod 二 随机化 randomization 原则 随机化原则 随机 随便 在抽样研究中是指总体中每个单元 个体 都有相等的机会被研究者抽取为样本 在实验研究中是指每种处理都有相等的机会配置给某个实验对象以及各比较组的实验顺序要无人为因素的影响 实验设计中随机化所起的作用避免主观因素的参与 打破原来实验对象排列的系统性 以控制系统误差 对于实验中一些意想不到的因素起平衡作用 它是统计推断的基础 随机化分组的工具 常用的随机化工具有硬币 赌具 如骰子 随化数字表 随机排列表以及计算机 器 伪随机数发生函数等 随机数字表分组 例试将10头动物应用随机数字表分配到甲 乙两组 按动物体重编号 从附表3的第22行 第1列查10个随机数 定双号为甲组 单号为乙组 调整 使得两组样本含量相等 再接着查一个 6 以内的随机数 或除6后取余数 以决定乙组中哪一号拨到甲组 本例查得随机数为71 除6后余5 即将甲组第5个 7号 调到甲组 计算机 器 随机化分组 三 重复 replication 原则 重复是指各处理组与对照组要有一定样本含量 samplesizes 无限地增加样本含量 将加大实验规模 延长实验时间 浪费人力物力 反而增加系统误差出现的可能性 样本含量不足 检验效能 Power 1 偏低 导致总体中本来具有的差异无法检验出来 完全随机设计 配对设计 随机单位组设计 交叉设计 盲法设计 三 几种常见的实验设计 完全随机设计 completelyrandomdesign 基本概念完全随机设计是将实验对象用随机的方法分配到各个处理组或对照组中 以进行实验观察 或分别从不同的总体中随机抽样进行对比观察的一种设计方法 称之为完全随机化实验设计 例4 1设有小白鼠15只 试用随机排列表将它们分成三组 先将这批小白鼠编号为1 2 15 然后在随机排列表内 附表2 P176 随意确定一行 譬如说从附表2第八行第一个数字开始 舍去15 19 依横向抄录0 14的数字 它们依次录于动物号下面 按预先规定 将随机数字为0 4者分入A组 5 9者分为B组 10 14者分为C组 结果列入表4 1中 表4 115只小白鼠随机化分组情况 动物编号123456789101112131415 随机数字32611381409115410712归组AABACBCABCBACBC 配对设计 paireddesign 由于实验结果的随机误差不可避免 当个体与个体的差异不均匀时 将那些个体之间的差异较小的研究对象配成若干对子 每对中的两个对象用随机的办法分配给相应的处理组和对照组 这些配对条件保证了非实验因素对处理组和对照组的干扰尽可能相同或相近 以达到降低实验误差之目的 动物实验中 常将同种属 同窝别 同性别等组成对子 再用随机化的方法将每对动物分配到处理组和对照组中去 临床试验中 常将性别相同 年龄 职业相近 病情 病型 期 相同或相近的两个病人配成对子 再用随机化的方法将每对动物分配到处理组和对照组中去 例4 2若有16只大白兔 已按性别相同 体重相近等要求配成8对 试将这8对兔子随机分至甲乙两组之中 先将这16只兔子编号 第一对兔子中的第一只编为1 1 第二只编为1 2 余类推 再从附表2中任意指定一行 譬如说第3行 舍去8 19数字 横向抄录8个随机数字于兔子编号下方 并规定遇奇数取甲乙顺序 遇偶数取乙甲顺序 结果列入表4 2中 表4 28对大白兔随机分入甲乙两组 兔子编号1 11 22 12 23 13 24 14 25 15 26 16 27 17 28 18 2 随机数字12037456归组甲乙乙甲乙甲甲乙甲乙乙甲甲乙乙甲 这样两组兔子的分配情况如下 甲组 1 12 23 24 15 16 27 18 2乙组 1 22 13 14 25 26 17 28 1 优缺点 配对设计除降低实验误差 提高实验的精确度外 它还可以扩展到空间 时间诸方面 如同一对象实验前后 或治疗前后 进行比较 如糖尿病人注射胰岛素前后的血糖浓度变化 属自身配对 前后对照 但两次测定的时间不能相隔太久 否则可能由于时间因素的影响而不符合配对的定义 再如结核病人痰培养 同一病人的痰可用甲乙两种方法来进行 也属自身配对 同时对照 在实际工作中 配对条件不能过多 过严 否则 按照要求将实验对象难以配成对子 尤其是在临床工作中 本设计首先是在农业试验中提出来的 认为小麦的产量不仅受其品种 处理 的影响 还受田块 block 区组 的影响 因此 将每个田块再分成几个单元 unit 每个单元所受的处理 即不同品种的小麦 是随机的 这样的设计既可分析处理的作用 也可分析田块的影响 提高了试验效率 应用到医学领域的科学实验 如将相同特征的小白鼠 同窝 同性别 同体重等 按处理数的多少 比如是k个 归为一个区组 block 至于同一区组内每个小鼠 unit 接受何种处理 则是随机的 可见 本设计是配对设计的一种扩展 当k为2时 本设计就是配对设计 如果临床试验中 同一批研究对象除了治疗前后测定了某指标外 在治疗过程中还测定了该指标 该设计从自身配对设计扩展为区组设计 一个对象即是一个区组 随机区组设计 randomizedblockdesign 配伍组设计 统计分析方法 方差分析 秩和检验 设计方法首先设置 区组 配伍组 将性质相同或相近的实验对象归为一个区组 每个区组的例数就是处理组数 再将区组随机化 即各区组内的实验对象用随机化的方法 决定它们被分到哪一个处理组中 优缺点 随机区组设计在统计分析时有一个假定 即区组与处理组间无交互作用 故不能分析交互作用 一般说来 本设计因为误差减低 均衡性好 可以提高效率 统计分析也较简易 这种设计的主要缺点 是一个区组内的观察对象发生意外 整个区组只好放弃或者不得已而采取缺项估计 交叉设计 cross overdesign 交叉设计 cross overdesign 交叉设计 cross overdesign 在临床试验中 研究者或受试者均可给实验效应带来影响 造成偏倚 bias 盲法设计 blindnessdesign 单盲法是让受试者不知道自已接受何种处理 双盲法是受试者和实验者都不知受试者接受何种处理 安慰剂常与双盲法配合使用 它是清除安慰作用的一种有效方法 保密是盲法的关键 四个主要因素 1 第一类错误的概率 即检验水准 越小 所需样本含量越多 一般取 0 05 还应明确单双侧 检验效能1 为第二类错误的概率 1 表示在特定的 水准下 H1为真时检验能正确发现的能力 1 越大 所需样本含量越多 通常取 0 1或0 2 一般1 不能低于0 75 四 样本含量的估计 样本含量估计 总体变异度 越大 所需样本含量越多 通常根据预实验 查阅文献和专业知识判断 值 允许误差 希望发现或需控制的样本和总体间或两个样本间某统计量的差别大小 如 1 2 或 1 2 越小 所需样本含量越多 可作预实验或用专业上有意义的差值代替 1 样本均数与总体均数的比较 1 样本均数与总体均数的比较 或配对比较 计算 有单侧和双侧之分 只取单侧值 先采用自由度 然后利用算出的n查t值表 再计算n 直至n值稳定为止 常用估计方法 常用估计方法 2 两样本均数比较 2 两样本均数比较 3 多个样本均数比较 3 多个样本均数比较 4 随机区组设计所需样本含量的估计 5 样本率与总体率的比较 大样本 6 两组样本率比较 7 多个样本率比较 8 直线相关 五 临床试验设计 临床试验 clinicaltrial 的研究对象是人 是在人群中通过干预 intervention 进行比较 确定某项治疗 病人 或预防 健康人 措施的效果与价值 属于前瞻性研究 由于试验是以人为受试对象 个体差异很大 疾病的转归不但受自身发展规律的支配 而且受许多因素影响 因此临床试验的设计要求更为严格 统计分析技术也有其特点 一 新药临床试验的分期 I期临床试验 志愿者 初步临床药理学与人体安全性评价实验 期临床试验是采用盲法随机对照的小范围临床试验 进一步评价新药的有效性与安全性 一般应成立专门的委员会或小组 对各实验点执行情况实施质量监控 期临床试验是扩大的多中心临床试验 应遵守盲法随机对照的原则 进一步评价新药的有效性与安全性 期临床试验为上市后的监测 在广泛使用的条件下 考察疗效和不良反应 应注意罕见的不良反应 一般所谓临床试验是指II III期临床试验 二 试验中的安慰剂对照与盲法 安慰剂对照 placebocontrol 对照组采用一种无药理作用的物质 可以称它为 假药 但其剂型或处置上不能为受试者识别 称之为安慰剂 目的消除病人心理作用 二 试验中的安慰剂对照与盲法 盲法 blind 特别在临床试验中 对主观指标的测量更为重要 它能避免受试者与研究者的心理或精神因素对药物疗效的影响 除某些不宜设盲的试验如外科手术 引起生活方式改变等干预试验外 一般均应采用盲法 有时有的病人在中途发生病情变化 急需了解所给予的药物种类 以便即时采取对策 故还须准备有中途揭盲的措施 一个试验揭盲不易太多 三 多中心临床试验 多中心临床试验 multicenterclinicaltrial 是指由一个医疗单位总负责 多个单位合作 按统一试验方案同时进行的临床试验 多中心试验优点 短时间 范围广 代表性 多中心试验必须在统一组织领导下 执行一个共同制定的研究设计方案 并依此指导整个试验 四 伦理学要求 由于临床试验的对象是人 属于人体实验范畴 因此必须遵守伦理道德准则 以切实保护受试者权益 新药在动物实验转移至人体试验时 不可避免地要对药物可能出现的不良反应冒一定风险 这时必须确保受试病人安全 第三节调查设计 一 调查设计意义及应用 二 调查设计内容 三 调查方法 一 调查设计的意义及应用 临床 了解疾病的分布 危害及有关因素等 以指导治疗 预防复发 例如龋齿 心血管病 泌尿系结石 近视 老年性白内障 婴幼儿死亡等调查研究 卫生 了解人群的健康状况 研究环境因素的致病和保护作用 医学研究 向分子水平发展 向群体水平发展 调查是根据预定目的 采用科学的方法 有组织有计划地搜集统计资料的工作过程 调查研究的特点 观察因素不受人为干预 是客观存在的 如河南林县与广东省中山市食管癌死亡情况比较 混杂因素 难以控制 如年龄 性别等 许多因素是未知的 如咸蛋 酸菜等 常用的调查 居民健康调查 流行病学调查 病因学调查 临床远期疗效观察 卫生学调查等 二 调查设计内容 1 调查目的了解参数 例 食管癌的病情及地理分布 研究变量间的相关联系 探索病因 调查设计是调查研究工作的先导和依据 是调查结果准确可靠的依据 包括资料收集 整理与分析全过程的统计设想和科学安排 2 调查对象 划清调查总体的同质范围 时点 3 调查范围 时间范围 空间范围 数量范围 4 观察单位 一个人 一个家庭 一个集体等 调查设计内容 5 调查表 questionnaire 根据调查指标确定对每个观察单位的调查项目 分析项目 直接用于计算调查指标 以及分析时排除混杂因素影响所必须的内容 备查项目 为了保证分析项目填写得完整 正确 便于核查 补填和更正而设置的 调查设计内容 例了解农村卫生人力情况 分析项目 乡镇医生年龄 文化程度结构 年龄 文化程度等 备查项目 姓名 性别 出生年月等 把调查项目按提问的逻辑顺序列成表格 供调查时使用 就是调查表 或称问卷 调查设计内容 搜集资料的方式 直接观察法和采访法 直接观察法 调查者直接对调查对象进行测量 观察 检查或计数来取得资料 采访法 是根据被调查者的回答来收集资料 访问 开会调查 信访 三 调查方法 1 普查 2 抽样调查 3 典型调查 4 病例对照研究 5 定群研究 1 普查 全面调查 overallsurvey 将组成总体的所有观察单位全部加以调查 没有抽样误差 但往往系统误差较大 工作量大 问题多 工作质量难保证 2 抽样调查 samplingsurvey 从总体中随机抽取一定数量的观察单位组成样本 然后用样本指标估计总体特征 抽样研究节省人力 物力和时间 可获得细致和准确的资料 值得提倡和推广 但调查设计 实施及资料分析较复杂 抽样调查 随机抽样方法 1 简单随机抽样 simplerandomsampling 要求每个观察单位有同等概率被选入样本 先编号 再用随机数字表等方式抽样 优缺点 计算简便 但当总体例数较多时 实施困难 适用范围 小型调查或实验研究 抽样调查 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 优缺点 易于理解 简便易行 容易得到一个按比例分配的样本 但易产生偏性 适用范围 事先已知分布是随机的 2 系统抽样 systematicsampling 抽样调查 分类抽样 一般先按某种特征将总体分为若干个层 strata 再在层内随机抽样 优缺点 抽样误差较小 不同层可采用不同抽样方法及独立分析 适用范围 事先