试验设计(一).ppt

研究试验设计,2004年7月29日,统计学的基本内容,一、研究试验设计二、数据管理和质量控制三、数据分析,教师授课说明,大课讲授：2次课6时学习建议边听课,边思考查阅参考书：实验设计与分析D.C.Montgomery统计出版社抽样调查L.Kish统计出版社医学科研方法学梁万年人民生卫出版社,目的：讲授研究试验设计的基本理论认识研究试验设计的重要性培养研究试验设计的具体操作,一、引言,医学研究的目在于揭示生命的本质和疾病发生、发展的过程，认识健康与疾病的转化规律，提出有效的预防和治疗措施，增进人类生命健康。医学研究是一个由感性认识到理理认识的高度科学思维的活动，其过程极其复杂。统计学是现代生命研究中不可缺少的工具。,典型统计案例1,麻醉剂氟烷的一场风波,美国于1958年开始在外科手术中采用麻醉剂氟烷(Halothane)。以其不易燃、不易爆、副作用小等优点,到1962年时大约普及到了一半手术。不料,突然有报告称数例病人术后恢复的同时突然恶化、发烧、死亡,尸解显示肝脏大片坏死,一时间疑云四起。,氟烷是否损害肝脏?是否应禁止用于手术?,问题的解决方案,为回答这些问题,自然需要与其他常用麻醉剂比较。其他麻醉剂对肝脏损害如何?是否氟烷有其特殊的副作用?查书、专家咨询均不得要领。急性动物实验随时可做,但与病人的外科手术相去甚远。美国卫生当局决定进行调查。,当时使用氟烷的手术病例已逾千万,不可能也不必全数调查，决定采用抽样方法。在有较完整病案资料的34家医院中抽取1960-64年间的85万例手术病例,其中记有所需个体信息,如性别、年龄、使用何种麻醉剂,是否死于术后6周内、术前状况、手术方式等等。其中，共有17000例死于术后6周内,粗死亡率为2%。,调查的设计方案,麻醉剂与死亡的关系,是否由此可以认为氟烷的死亡威胁小于其他麻醉剂的死亡威胁呢?进一步分析，死亡威胁与术前状况有关：病情轻者死亡率仅0.25%,重者可达30%；也与手术本身的危险性有关,各种手术死亡率低者仅0.25%,高者达14%；还与年龄有关,病情和手术相同时青少年死亡率低,老年死亡率高;此外,死亡危险还与性别、医院等有关。各种麻醉剂使用对象不同,混杂着其它因素影响，直接比较上述粗死亡率无意义。,应控制在相同的使用对象不同,相同的条件即同质的情况下进行比较各种麻醉剂。可借助统计的方法加以校正，假定各种麻醉剂的使用对象具有相同的术前状况,采用相同的手术、同年龄、同性别和同一所医院情形下,得到相应的死亡率会如何?,麻醉剂与死亡的关系（校正）,从而说明:所有的麻醉剂都可能导致一部分病人术后6周内死亡,不同麻醉剂相应的死亡率水平不甚悬殊,氟烷的死亡威胁并无特殊。氟烷可以引起一定的死亡，但是，不应禁止用于手术。,统计学对这场风波的平息作出了有贡献,其中抽样调查、粗死亡率概念和统计学校正等使得正实事真像得到科学的澄清,同时也使人们对各种麻醉剂的死亡威胁增进了认识。,不良反应,一种药在治疗人体某种病的同时有时会引起某些部位的不适，甚至对某些组织或器官造成损伤，这就是药品的不良反应，也叫副作用。有些轻微的不良反应可以忽略不计，但有些药品的不良反应比较严重，比如会对肝脏、肾脏造成损伤，这些药的说明书上会注明慎用。但有时为了救命，即使是副作用很大的药也要用，有一种抗结核的药对肝脏有损害，但治疗结核就得用这种药，医生可以在用这种药的同时，再给患者用保护肝脏的药,在瞬息万变的市场环境中，要积极准备，防止突发意外事件的发生。意外事件其实并不能称为“意外”。2000年11月16日，国家药品监督管理局负责人紧急召开记者会，告诫患者，立即停止服用所有含有PPA的药品制剂。理由是，服用后易出现过敏、心律失常、高血压等严重不良反应。感冒药市场绝对第一的康太克，就因为PPA事件，从此消失于世。,虽然经历了不到一年（289天），中美史克向公众推出了不含PPA的感冒药“新康泰克”。但远不如以前。PPA几乎在美国闹翻了天，但英国药品安全委员会却大唱反调，声称脑出血和PPA几乎没有任何联系！,突发公共卫生事件,2004年SARS在中国的流行与暴发,二、研究设计的重要性,进行一项科研课题如同造一座大桥、一座大厦。如果大厦事先没有良好的设计就会倒塌，同样科研课题事先没有良好的设计就会失败。科研设计如同建筑设计一样举足轻重。,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。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。,进行完试验后再找统计学家分析数据，如同病人死后再找医生进行尸体解剖，医生会告诉病人死的原因是什么。同样，统计学家会告诉你试验失败的原因是什么。-费歇尔(RonandA.Fisher,1890-1962),一项良好的试验设计能为科研工作节省大量资金和人力、物力资源，有时可达90%以上。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。,三、研究设计知识,英国统计学家费歇尔(RonandA.Fisher,1890-1962),在进行农业田间试验时提出的，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，以减少随机误差的影响，提高试验的可靠信。,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（grosserror）,是由于观察者的错误造成的误差。比如观察者有意或无意的记录错误，计算错误，数据核查、录入错误，度量衡单位错误，甚至故意修改数据导致的错误。过失误差在统计学研究中是不允许的，必须通过加强调查、录入和分析人员的责任心，完善检查核对制度等方法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(systematicerror),是由于某些已知的或未知的因素造成，而且具有一定变化规律的误差称为系统误差，又称偏倚（bias)。,系统误差的产生,（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(randomerror),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（samplingerror）,抽样误差（samplingerror）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（randommeasurementerror）,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,在进行科学研究时，对研究方案作合理的安排，以减少随机误差的影响。采用适当的研究试验次数，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。,第二节,研究设计包括专业设计与统计设计两个部份。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,进行系统的安排,使其消耗最少的人力和物力、时间,而获得可靠的信息与结论。,典型统计案例2,吸烟与肺癌关系的研究,吸烟危害健康,如今已成国际共识。回顾历史,从科学角度论证这一命题浸透了统计学家的心血。人们不可能象药物研究那样,随机地安排一部份人去吸烟,安排另一部人不吸烟,追踪观察其结局,从而需要特殊的统计学设计和分析。,1938年，Pearl调查了数百个家庭,形成了吸烟多、吸烟少和不吸烟三个组,根据各人的寿命,编制了三份寿命表,相应地绘制了三条生存曲线,反映各组随年龄增长减员的过程。发现吸烟多的一组几乎以直线下降的趋势减员,不吸烟的一组以先凸后凹的曲线趋势缓慢减员,吸烟少的一组减员趋势则介于以上两组之间。,1939年，美国遗传学家(获诺贝尔医学奖)Muller采用病例-对照设计搜集一组肺癌患者,并配置一组其他特点与之相仿的非肺癌患者作为对照组,逐一询问吸烟否、吸烟量和时间。发现肺癌组吸烟者比率高,对照组(非肺癌患)吸烟比率低,1950年，DollandHill进行大规模研究。他们根据自已的观察先提出一项假说：吸烟导致肺癌设想如下：1）将肺癌与非肺癌患者配对，前一组吸烟者应比后一组多，吸烟史也应更长；2）将吸烟者与非吸烟者配对随访，前一组肺癌发病率应比后一组高；,进行调查研究，进行如下实际工作：他们向60000名英国医生发出关于吸烟的问卷,其中40000名应答,据此将他们分成吸烟组和不吸烟组。借助英国良好的死亡登记系统追踪他们的结局,时间从1950年至1964年。,吸烟与发病的关系,相对危险度RR241.4,类似于以上的研究还有很多。但相反的意见仍很强盛。烟草公司和相关的行业以及政府财税部门反对禁烟,不足为怪。并有两位的统计学权威RonaldFisher和JosephBerkson对吸烟有害研究提出挑战。,Berkson认为,据称吸烟能提高许多种死因下的死亡率,这一点不可理解。除非有证据说明吸烟对整体健康有害或加速老化,不然,可认为类似上述的研究中对照组的选择以及吸烟状况的资料搜集方式等的偏倚导致了吸烟提高多种死亡率的假象。,Fisher认为,已有的大量研究不能排除遗传因素。也许具有某种遗传因素者既爱吸烟,又易得癌,而无此因素者既厌吸烟,又难得癌。若果真如此,戒烟并不能摆脱癌症。,两位统计学权威的挑战促进了吸烟有害研究的深入。,科学的精神是尊重事实而不是讲权威性。,瑞典国家双生研究。他们调查了一方吸烟、另一方不吸烟的双生对,其中,同卵双生男274对,女264对,异卵双生男733对,女653对。发现慢性支气管炎患病率在同卵双生的吸烟者中男女分别为14.6%和13.6%,而不吸烟者中男女分别为7.7%和7.6%;在异卵双生的吸烟者中男女分别为12.3%和14.5%。而不吸烟者中男女分别为5.5%和5.7%。吸烟与不吸烟相比,慢性支气管炎患病的相对危险度约为1.82.5倍。,医学上对吸烟与健康的关系进行了数百次的观察研究，绝大多数支持吸烟危害健康的观点。还有更多的间接证据。例如,狗的模拟吸烟导致与人类肺癌相似的结局、吸烟有损动脉血管、戒烟时间长短对死亡率有不同影响等等。,鉴于吸烟与禁烟已非单纯的生物医学问题,有的统计学家建议当局利用统计决策理论权衡公众行动起来禁烟的代价和由此给社会带来的得与失,从而作出合理的决策。,目前,许多发达国家已经断然采取了种种限制吸烟的措施,此中融有统计学家的贡献。他们在吸烟有害问题的研究中所创造的方法学也为其他公害的研究提供了借鉴。,从设计上看，麻醉剂氟烷同吸烟与肺癌关系的研究有什么本质的不同？,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）观察研究设计（调查研究）,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。,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。,干预研究设计的类型,实验研究设计临床试验设计,实验研究,临床医学中实验研究常指动物实验(animalexperiment)，是把动物作为实验对象，在动物身体进行实验。根据获得的结果，逐步过渡到人体。,临床试验,临床试验(clinicaltrials)是为了探索疾病临床阶段，对病人身心无大损伤的试验。可以是短期观察，也可以是中期或远期追踪观察，目的多为某种药物及某项疗法的效果观察。例如采用某新药物治效感冒的效果,在严格控制条件下的干预试验，不仅可以避免偏倚，而且可以用最小的消耗获取最大的功效。,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，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。没有人会仅仅因为讨好统计学家而去抽5年烟。,四、实验研究设计,1）实验设计的三要素,1、实验因素2、实验对象3、实验效应,1、实验因素,实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。如不同温度、治疗方法、用药种类、用药剂量等。,实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“。,实验因素与非实验因素,实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非实验因素，又称干扰因素或混杂因素。如研究3种饲料的营养效果的实验中，老鼠的窝别，进食量等为非实验因素。在新药的临床试验中，病人年龄、疾病历等为非实验因素。,2、实验对象,实验对象是指接受实验因素作用的对象，亦称实验单位。,实验对象种类,人动物微生物细胞分子基因,3、实验效应,实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,实验效应分类,按效应指标的性质分为：定量指标是能通过工具测量获得的具体数值的指标。如，身高、体重、血压等。定性指标是表现为无不相容的类别或属性的指标，患者结局有生存或死亡。等级指标是表现为有顺序等级的类别或属性的指标，治疗效果全愈、好转、不变、恶化。,如果实验效应指标选择不当，就不能准确反应实验因素的作用，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,主要指标和次要指标,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,实验设计的三要素,试验因素试验效应,2）实验设计的三原则,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同等的机会被抽取进入样本，以及样本中任何一个个体都有同等机会被分配到每个组中去。,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,2、对照(Control),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,空白对照安慰剂对照标准对照自身对照相互对照试验对照历史或中外对照*,经典案例3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，印度名医为此发表论文数以百计（该未设立对照），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。用15年后，医学上，采用了有均衡对照的临床试验(controlledclinicaltrials)，作出否定金制剂疗法治疗结核病的结论。,经典案例4已烯雌酚的作用,DES已烯雌酚是一种人工激素，用于防止自发性流产。二十世纪六十年代，美国每年给5万名妇女发放这种药。采用该药对防止妇女流产作用怎样？,医学、统计学家Chalmers等收集了8次研究报告，它们都是来评估DES的作用的。设计赞成用不赞成用历史对照50随机对照03,对照的作用,1966至69年，妇产科医生Herbst在波斯顿发现8例女青年患一种极罕见的阴道透明细胞腺癌。调查发现其中有7例服用DES。经过严密试验设计（1：4病例对照研究）证实DES的负作用，它增加阴道癌的危险性美国FDA于1971年禁止给妇女服用该药。,3、重复,重复是指具有相同处理的实验对象不止一个。,实验误差客观存在，只有多次对实验对象测定，才能通过观测值的差异计算出误差大小。重复的主要目的是估计试验误差、提高试验结果的可靠性。,样本含量,估计试验重复次数即样本含量。进行一项科学试验，必须有可重复性，样本含量的估计是试验设计的重要内容重复原则并非要求研究者无限追求大样本，但需要足够的样本含量。究竟需要大数量的样本，要根据不同的问题和试验设计的要求，用专门的统计方法估计。,新药临床试验样本含量,在新药II期临床试验中，II期临床试验中，国家食品药品监局(SFDA)规定要求各组样本含量至少100例，III期临床试验中，要求试验组样本量至少300例，或在试验设计时，应对所需的样本含量作出较准确的估计。,均衡性*,均衡是指在各组间除了处理因素这一点之外其它条件相同。否则就会产生混淆，造成偏倚。随机化是保证非处理因素均衡性的重要