第三章 实验研究设计(12讲).ppt

2020/5/29,1,第三章实验研究设计,2020/5/29,2,学习要求了解：实验研究设计的基本概念。熟悉：实验研究设计的基本要素；样本含量估计的基本方法。掌握：实验设计的基本原则，常用实验设计的方法。,2020/5/29,3,第一节实验研究设计的概念一、研究设计的意义在进行医学科研工作之前，首先要进行医学研究设计。研究设计就是对科学研究的具体内容、方法的设想和计划的安排。研究设计主要是依据研究目的，确定研究因素，选择效应指标，拟定研究对象的数量和实施方法，以及数据收集、整理和分析模式，直至结果的解释。通过合理的、系统的安排，达到控制系统误差，以消耗最少的人力、物力和时间，而获得可靠的信息和结论。,2020/5/29,4,良好的设计是顺利进行科学研究和数据分析的前提，也是获得预期结果的重要保证。如果设计错误，所得数据毫无价值，任何统计方法也无法挽救。在医学研究中，根据观察者是否主动施加干预而分为实验性研究(experimentalstudy)和观察性研究(observationalstudy)两类。实验研究是指研究者根据研究目的人为地对受试对象（包括人或动物）设置干预措施，控制非干预措施的影响，总结干预因素的效果。观察性研究是指对特定对象群体进行调查，影响被调查者的因素是客观存在的，研究者只能被动地观察和如实记录。,2020/5/29,5,二、实验性研究的特点实验研究主要具有三个基本特点。第一，研究人员能够按照实验设计的目的及要求设置研究因素。第二，受试对象可以通过随机化原则进行随机分组。第三，由于应用了随机化原则，使各比较组之间达到了较好的均衡性，因而，最大限度地减少了非研究因素对实验效应及结果的干扰和影响。,2020/5/29,6,三、实验研究的分类实验研究常根据受试对象的特征分为三大类：1.动物实验(animalexperiment)是指用人工饲养繁殖的动物进行实验研究。其特点是，容易控制研究因素及干扰因素，实验误差较小，实验成本较低，观察的实验效应较为客观。由于动物与人体之间在种属等等方面存在巨大差异，因此，动物实验的研究结果不能直接推论到人体上，而是可以作为人体研究的参考依据或基础数据。,2020/5/29,7,2.临床试验（clinicaltrial）临床试验是以人为研究对象，是指按科学的实验方法，研究疾病在临床阶段规律的试验。临床试验主要有两个目的：一是寻找有发展前景的新疗法或新药；二是确定新疗法是否给病人带来好处。临床试验需注意两点：一是人的试验易受多个因素的影响，如人的社会性、心理因素等，试验结果易造成偏倚；二是要考虑医德等方面的问题。,2020/5/29,8,3.现场试验（fieldtrial）又称为社区干预试验（communityinterventiontrial），是指对某社区中的所有人群施加某种研究因素并观察一段较长的时间。其目的是通过干扰某些在人群中存在的危险因素或施加某种保护性措施，观察研究因素在社区人群中产生的效应或预防效果。典型的社区干预试验的实例之一是在社区人群的饮水中加入氟化物以观察是否能够降低人群的龋齿发生率的试验。,2020/5/29,9,第二节实验设计的基本要素医学实验包括3个组成部分，即处理因素、受试对象和实验效应。例如，观察某降压药的效果，那么某降压药就是处理因素，高血压患者为受试对象，被测的血压值则是实验效应，这三部分内容就构成了完整的实验基本要素，缺一不可。因此任何一项实验研究在进行设计时，首先应明确这三个要素，再根据它来制订详细的研究计划。,2020/5/29,10,一、处理因素（studyfactor）研究者根据研究目的施加于受试对象并能产生一定实验效应的因素，称为处理因素。处理因素可以是主动施加的，如实施某种药物等；也可以是客观存在的，如观察两种病人体内的某种理化指标等，两种病人即为处理因素。在确定处理因素时，应注意以下几个问题：,2020/5/29,11,1.明确实验研究的非处理因素非处理因素是指不是此次实验研究的因素，但也能使受试对象产生效应的因素。如观察某药物治疗慢性胃炎的疗效，病人的病情、年龄、饮食结构等都对疗效有一定的影响。故这些因素为实验的非处理因素，又称干扰因素或混杂因素（confounder)。一定要明确影响实验的非处理因素，并尽可能地进行控制。2.处理因素要标准化是指在进行同一个实验研究时，施加于多个受试对象的处理因素要相同一致。如试验药物要同一厂家、批号和生产日期；检测仪器、试剂、操作者要相同。,2020/5/29,12,二、受试对象(studysubjects)受试对象是处理因素作用的客体。医学研究的对象一般为人和动物，在实验进行前必须对研究对象的条件作严格的规定，以保证受试对象的同质性。受试对象应满足两个基本条件：对处理因素敏感，反应必须稳定。例如，观察某药物对高血压的疗效，一般情况期高血压患者对药物不够敏感，而期患者本身血压波动较大，结果不稳定，因此宜选择期高血压患者为受试对象。又如，猫和鸽子对呕吐反应比较敏感，而豚鼠、家兔则缺乏此种反应。,2020/5/29,13,同时受试对象还应具有明确的标准，例如，动物实验时，受试动物的种属、性别、体重和窝别要有可比性，因为这些条件可能影响实验结果，必须控制一致。三、实验效应(experimentaleffect)实验效应是处理因素作用于受试对象的反应和结果，它通过观察指标来表达。如果指标选择不当，未能准确的反映处理因素的作用，那么获得的研究结果就缺乏科学性，因此选好观察指标是关系研究成败的重要环节。选择指标的依据是：指标应具有关联性、客观性、特异性与敏感性。,2020/5/29,14,1.关联性是指观察指标与研究目的有着本质而密切的联系，能够确切反映处理因素的试验效应。如观察苯对人体的作用，应检查白细胞数，因为苯可直接是白细胞数下降。指标的选择可以通过查阅文献或根据以往经验而获得。2.客观性观察指标有主观指标与客观指标之分，主观指标是由病人回答或医生定性判断来描述观察结果；而客观指标则是借助仪器进行测量来反映观察结果。特别是在临床试验中，主观指标易受研究者和受试对象心理因素的影响，例如“疼痛程度”、“咳喘程度”等。因此应尽量选用客观的、定量的指标。,2020/5/29,15,3.精确性包括准确度(accuracy)和精密度(precision)。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。精密度指相同条件下对同一对象的同一指标进行重复测量时，测量值与其均数的接近程度。观察指标应当既准确又精密。4.特异性与敏感性：特异性表示该指标能鉴别真阴性的能力，敏感性则表示该指标检出真阳性的能力。,2020/5/29,16,特异度=1-假阳性率（误诊率）灵敏度=1-假阴性率（漏诊率）,2020/5/29,17,选择指标应能反映处理因素的效应本质，高特异性高敏感性是指标可用性的体现。特异性高的指标最易揭示处理因素的作用，不易受混杂因子所干扰，减少假阳性率；同时敏感性高的指标则可减少假阴性率。例如，血糖高低是诊断糖尿病患者基本依据，显然血糖在糖尿病研究中是特异性高的指标。如血沉在结核活动期明显升高，属敏感性指标，但他在风湿病活跃期也发生改变，显然对研究结核病不具有高特异性，仅能作为辅助指标或次要指标。,2020/5/29,18,第三节实验设计的基本原则实验设计的目的是使处理因素对机体的实验效应能单独地显示出来，如果处理因素用T表示，T的实验效应用e表示，即Te，但是，由于T对机体的作用还受到非处理因素的影响，所以实验效应的大小也就不单是处理因素T的结果。如用某药治疗某病，药物是处理因素，疗效是实验效应，患者的年龄、病情、饮食、环境等各种非处理因素都对疗效有作用，如非处理因素用S表示，其对疗效的作用用s表示，即T+Se+se称为真实效应，s称为干扰效应。,2020/5/29,19,如果实验设立对照组，使实验组和对照组的非处理因素S均衡，S1=S2,则理论上两组的干扰效应也均衡，即s1=s2，则T的真实效应e就显示出来。空白对照：实验组：T+S1e+s1对照组：O+S2o+s2相互对照：T1+S1e1+s1T2+S2e2+s2在实验设计时必须遵守4个基本原则，即对照原则、均衡原则、随机原则和重复原则。,2020/5/29,20,一、对照原则对照（control）是科学实验中消除非处理因素的影响不可缺少的重要手段，没有对照就没有比较和鉴别，也就谈不上实验结果的正确性和科学性。但有些很难治愈治愈的疾病也可不设对照组。常用对照的形式：1.空白对照：对照组不施加任何处理因素，完全在“空白”的情况下进行对照。2.实验对照：对照组不施加处理因素，但施加某种试验因素。,2020/5/29,21,3.自身对照：对照和试验在同一受试者身上进行。此对照应注意观察指标随时间、环境变化而自然变化的问题，如治疗前后血压值的变化。4.相互对照：不单设对照组，各试验组之间互为对照。5.标准对照：以最好的“标准”疗法或药物作对照。此对照安全、稳妥、易于病人接受。6.安慰剂对照安慰剂（placebo）是指一种无药理作用的假药，其与治疗药物在外观、剂型等方面不能被受试对象所识别。安慰剂对照则是指将安慰剂施加于对照组的受试对象。安慰剂对照是一种特殊的空白对照，其目的主要是排除病人或受试对象的心理偏见。主要用于双盲试验。,2020/5/29,22,7.历史对照历史对照是指以过去或以往的研究结果作为对照。应特别注意资料的各种背景条件因素及其可比性。二、均衡原则均衡(balance)的原则也称为齐同原则，是指对照组除处理因素与实验组不同外，其它各种非处理因素应基本一致。例如观察药物ADI对预防儿童肠道传染病的效果，拟进行两种方案设计：,2020/5/29,23,第一方案:甲托儿所选100名儿童，服用ADI，乙托儿所选100名儿童作对照，观察其结果。,甲托儿所100名服ADI,乙托儿所100名未服ADI,甲托儿所年肠道发病率8%,乙托儿所年肠道发病率20%,2检验,P2时适用单因素方差分析对多个均数进行比较，有统计学意义时，进行两两比较。该设计的特点是，简单方便，易于实施，但只能分析一个因素的作用，检验效能较低。,2020/5/29,40,例3.5将体重相近的15只雌性小白鼠等分到A，B，C三组。设计及分组步骤如下。(1)将15只动物任意编号为115号。,2020/5/29,41,(2)从随机数字表（附表1）中任意一行，如第20行最左端开始横向连续取15个两位数（一般要求与n的位数相同）。按随机数从小到大的顺序编序号，如果随机数相同，则先出现的为小。事先设定规则：序号15对应的小白鼠分到A组，序号610对应的小白鼠分到B组，序号1115对应的小白鼠分到C组。表3.115只小白鼠完全随机分组的结果,2020/5/29,42,注意事项：1.注意组间的均衡性，减少抽样误差。2.各组样本含量相等时,称为平衡设计(balanceddesign);样本含量不等时,称非平衡设计(unbalanceddesign)。平衡设计的统计检验效率高于非平衡设计。二、配对设计（paireddesige）配对设计是将受试对象按一定条件配成对子，再将每对中的两个受试对象随机分配到两个不同的处理组。与完全随机设计相比，其优点是抽样误差较小，统计检验效率较高，所需样本含量相对较少。常用的统计方法为配对t检验。,2020/5/29,43,受试对象,对子1,对子2,对子k,按配对条件,实验组,对照组,随机分组,实验组,对照组,实验组,对照组,随机分组,随机分组,2020/5/29,44,常用设计方式有：1.自身对照设计：是以受试者接受处理因素前的测定值作为对照，将处理因素作用后的测定值作为实验值，据此观察一定数量的受试者。同一标本接受两种不同的测定方法。2.异体配对设计：是将条件（年龄、性别、病种、病情）相同或相近的个体配成对子，再按随机的方法将其分别分配到对照组和试验组中。,2020/5/29,45,例3.6将符合实验要求的14只小鼠，按照月龄和体重相近的原则配成7对，每对随机分为A、B两组。先将每对小鼠编号，如第一对第1只编为1.1，第2只编为1.2，余仿此。从随机数字表（附表1）中任意一行，如第11行最左端开始横向连续取14个两位数，事先规定：每对中随机数较小者序号为1，对应A组；随机数较大者序号为2，对应B组。表3.2配对设计的14只小鼠随机分组结果,2020/5/29,46,三、随机区组设计（randomizedblockdesign）随机区组设计又称配伍组设计，是配对设计的扩展，也可看作1:X的配对设计。该设计时将受试对象按配对的条件划分成若干个区组或配伍组，再将每一区组中的各受试对象随机分配到各个处理组中去。,2020/5/29,47,2020/5/29,48,该设计的特点：1.配伍组设计属两因素设计，能对处理组和配伍组进行两因素方差分析。2.由于各配伍组的条件基本相同，组间均衡性好，抽样误差小，试验效率较高。3.设计的原则为“区组内差别越小越好，区组间差别越大越好”。4.按规定条件划分区组，若每个区组的例数是处理组的倍数，则将条件更接近者再分为若干小区组。,2020/5/29,49,例3.716只大鼠，根据体重将其分为4个区组，每个区组4只大鼠，分别接受A、B、C、D四种处理。试进行设计及分组。设计及分组方法和步骤如下：(1)16只大鼠按照体重从小到大依次编号，第一区组14号，第二区组58号，第三区组912号，第四区组1316号。(2)从随机数字表（附表1）中任意一行，如第36行最左端开始横向连续取16个两位数，再将每一区组内的四个随机数字由小到大排序。序号1，2，3，4分别对应A,B,C,D四个处理组。,2020/5/29,50,表3.3随机区组设计的16只大鼠随机分组结果,表3.416只大鼠分组结果,2020/5/29,51,四、交叉设计(crossoverdesign)交叉试验设计是指样本按异体配对方式分为两组，将A、B两种处理先后施加于两组试验对象，随机地使一组对象先接受A处理，后接受B处理；另一组先接