第14章-实验设计-卫生统计学

第十四章实验设计,实验设计(designofexperiment,DOE)顺利进行科学研究和数据统计分析的先决条件获得预期结果的重要保证设计：专业设计：从各专业角度考虑实验的科学安排，选题、建立假说、确定研究对象和技术方法等；统计设计：从统计学的角度考虑资料搜集、整理和分析的设计。-设计类型、样本含量、指标和分析方法,医学科学研究方法:(1)观察性研究(observationalstudy)又称非实验性研究(non-experimentalstudy)或对比研究(comparativestudy)-非随机化对比研究。以客观、真实的观察为依据，对观察结果进行描述和对比分析；不能人为施加干预措施(即处理因素)；受试对象接受何种处理因素或同一处理因素的不同水平不是由随机化而定的。例如，农村地区卫生服务需求情况调查.-观察性研究的设计属于调查设计(surveydesign),（2）实验性研究(experimentstudy)指研究者能够人为给予干预措施的研究，例如，健康教育能否预防小学生近视的研究。小学生除每天做眼保健操外,随机分为试验组和对照组。试验组另给予预防近视的健康教育。观察一段时间后，比较两组小学生的视力变化。-它的设计对应于实验设计。以下主要介绍实验设计的统计学部分包括：基本要素、基本原则、常用设计方案、样本含量的估计和临床试验设计,第一节实验设计的基本要素,其他,处理对象效应其他效应,受试对象(object)处理因素(treatment)实验效应(experimentaleffect)例如，研究某药对型糖尿病病人的降血糖效果。受试对象：型糖尿病病人处理因素：某药实验效应：血糖的变化值,1处理(treatment)例：药剂、手术方法、毒物（1）抓住主要处理因素（2）区分处理与非处理因素（3）处理因素必须标准化2受试对象动物的选择：种类、品系、年龄、体重、窝别、营养病例的选择：纳入标准、剔除标准3效应(effect)指标的选择：准确(accuracy)；精密(precision)灵敏(sensitivity)；特异(specificity),第二节实验设计的基本原则,一、对照(control)目的：比较的对象；控制实验误差和系统误差同期对照(concurrentcontrol):在整个实验过程中，对照组和实验组应始终在同时同地进行基线(baseline)比较:对照组设立后，应检验两组开始时的状态是否均衡,常用对照（1）安慰剂（或空白）对照处理组：其他处理对象I效应其他效应对照组：其他安慰剂对象II效应（或空白）其他效应,安慰剂(placebo)无药理作用的“假药”或称伪药物(dummymedication)；外观(剂型、大小、颜色)、重量、气味及口味等与试验药物一致。目的：1）克服研究者、受试对象、评价者等由于心理因素所形成的偏倚，控制安慰作用；2）消除疾病自然进程的影响，分离出由于试验药物所引起的真正反应。安慰剂对照的使用要慎重，应以不损害病人健康为前提。空白对照在实验研究中，设置空白管并同时测定，以检测本底值。在临床试验中，使用空白对照更需谨慎,（2）实验对照例如,强化铁预防缺铁性贫血，实验组儿童用强化铁酱油(A+B)，对照组用普通酱油(B)。处理组：其他A+B对象IA+B效应其他效应对照组：其他B对象IIB效应其他效应,(3)相互对照处理组：其他A对象IA效应其他效应对照组：其他B对象IIB效应其他效应,(4)自身对照例如,研究治疗烧伤新药，一部位用烧伤新药，另一部位用其它公认有效药物；其他A对象A效应其他效应对照组：其他B对象B效应其他效应,注意：前后对照不是同期对照。在实验中同样需要另外设立一个对照组，用处理前后效应的差值来比较实验组与对照组:实验组:减肥茶对照组:普通茶,问题:研究减肥茶的效果，以肥胖病人用药前的体重作对照。妥否?,(5)标准对照(standardcontrol)用现有标准方法或常规方法作对照。这种对照在临床试验中用得较多，因为很多情况下不给病人任何治疗是不道德的。另外，在实验室研究中常用于某种新检验方法是否能代替传统方法的研究。但用现有标准值或参考值作对照-不好！(6)历史对照(historicalcontrol)与本人或他人过去的研究结果作比较-不好！,二、随机化原则,随机化(randomization)目的：对付大量不可控制非处理因素的另一个重要统计学手段；防止有意无意的”搞鬼”;对资料进行统计推断的前提。,随机化应贯穿于研究设计和实施的全过程：1)抽样的随机化:总体中每个个体都有相同机会被抽到样本中来-保证所得样本有代表性，使实验结论具有普遍意义。2)分组的随机化:每个受试对象被分配到各组的机会相等-保证受试对象的其他状况在对比组间尽可能均衡，提高组间的可比性。3)实验顺序的随机化:每个受试对象先后接受处理的机会相等-使实验顺序的影响达到均衡。,随机化方法1）抽签或掷硬币(已过时)2）随机数(randomnumber)随机数字表(现场用)伪随机数(pseudorandomnumber,PRN)：介于0和1之间均匀分布的数字统计软件中的伪随机数发生器:如果每次将种子数(seednumber)设为一样，产生的伪随机数便具有重复性。-必须报告:用什么统计软件产生伪随机数?用什么种子数?,随机化实验设计方法1）完全随机化(completerandomization)步骤：编号、取随机数（与n的位数相同）、定组别例14-1用随机数字表将同性别、体重相近的15只动物分到A、B、C三组。先将动物编号；从随机数字表中任一行(如第16行)最左开始连续取15个两位数字；事先设定规则：将每个两位数字除以3，余数0、1、2分别对应于A、B、C三组,2）分层随机化(stratifiedrandomization)完全随机化并不能保证各组间一定达到良好的均衡性。改进：配对随机化(pairedrandomization)以对子为“层”区组随机化(blockrandomization)以区组为“层”,例14-2为比较四种剂量的碘(A,B,C,D)对脾脏的影响。将小白鼠体重作为分层因素，试随机分配处理。事先规定：在同一层内按随机数由小到大排序的序号分组,三、重复原则,重复:在相同实验条件下进行多次研究或多次观察，以提高实验的可靠性和科学性。1)整个实验的重复不可重复的研究是没有科学性的。2）用多个受试对象进行重复个别-普遍？偶然-必然？要有足够的样本含量(samplesize)3）同一受试对象的重复观察降低实验误差估计实验误差,第三节常用的实验设计方案,考察单个因素的效应?可选用：完全随机设计配对设计交叉设计随机区组设计考察多个因素的效应?可选用：析因设计,一、完全随机设计(completelyrandomizeddesign)又称简单随机分组设计(simplerandomizeddesign)将同质的受试对象随机地分配到各处理组，再观察其实验效应平衡设计(balanceddesign)：各组样本含量相等非平衡设计(unbalanceddesign)：各组样本含量不等,二、配对设计(paireddesign)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不同处理组配对依据：可能影响实验结果的主要混杂因素动物实验：窝别、性别、体重等临床试验：病情轻重、性别、年龄、职业等,在医学科研中，配对设计主要有以下情形：1）将两个条件相同或相近的受试对象配成对子(含同一个体的两对称器官或组织)，分别接受两种不同的处理。例欲研究国产禽流感疫苗的效果，将同种属的鸡按性别相同，月龄、体重相近配成对子；随机分成两组，分别接受国产和进口疫苗。2）同一受试对象(人或标本)分别接受两种不同的处理。,3)前后配对?-同一受试对象接受一种处理的前后若仅观察一组，则要求在处理因素施加前后的影响因素如气候、饮食、心理状态等相同，但常常难于做到，故存在一定缺陷，现已不提倡单独使用。配对设计的优点：抽样误差较小、实验效率较高、所需样本含量较小；配对设计的缺点：配对失败或配对欠佳时，反而降低效率,三、交叉设计(cross-overdesign)两种处理：A和B两个阶段：I和随机分两组：先A后B；先B后A,优点：不受个体差异的影响，适用于慢性病。缺点：受试对象一旦在某一阶段退出试验，就会造成该阶段及其以后的数据缺失。注意：1)清除阶段(washoutperiod)旨在消除剩余效应(carry-overeffects)该阶段的长短取决于药物在血清中的衰减程度，一般要求大于6-8个药物半衰期；2)盲法，以提高受试对象的依从性，避免偏倚；3)不宜用于具有自愈倾向或病程较短的疾病研究,四、随机区组设计(randomizedblockdesign)又称随机单位组设计、随机配伍组设计。b个区组：很不相同每个区组内：k个受试对象非常相似k个处理：有待比较将受试对象按性质(如动物的性别、体重，病人的病情、性别、年龄等非实验因素)相同或相近者组成b个区组(或称单位组、配伍组);每个区组中的k个受试对象分别随机分配到k个处理组中去。,五、析因设计(factorialdesign)将两个或多个实验因素的各水平进行组合;对各种可能的组合都进行实验记号等水平析因设计mk：k个因素，每因素m个水平的析因设计。如三因素两水平,记为23析因设计不等水平析因设计3253：两个因素有3个水平，三个因素有5个水平优点：1）全面高效性以最小的实验次数探讨各因素的主效应，同时可获得因素间的交互效应2）通过比较各种实验组合，还能寻求最佳组合缺点:工作量较大；统计分析复杂,第四节样本含量的估计样本含量(samplesize)，又称样本大小本节主要讨论假设检验时的样本含量估计。一、样本含量估计的意义科研设计需要“重复”样本含量过小:所得结果未必真实检验的功效低样本含量过大:实际工作困难；浪费人力、物力和时间；引入更多的混杂因素，影响数据的质量必须正确合理地估计样本含量，用最少的经费达到要求的精度,二、影响样本含量估计的因素1.第一类错误概率的大小也称检验水准要求小，所需样本含量多一般要求=0.05相同，双侧检验比单侧检验所需样本含量更多2.第二类错误概率的大小检验功效(1)要求第二类错误的概率愈小（检验功效愈大），所需样本含量多。一般要求第二类错误的概率控制在0.2以下（=0.20），或检验功效在0.80以上（1-=0.80），,3.容许误差（差异小于=无差异）大，所需样本含量小的数值由问题的性质决定4.总体标准差或总体概率反映资料的变异度，大，所需样本含量越多总体概率越近于0.50，所需样本含量越多或的数值由预试验或专业知识决定,三、样本含量估计的方法1.单样本均数检验或均数的配对检验,例14-3用某药治疗高胆固醇血症，已知血清胆固醇平均降低0.52mmol/L在专业上认为有意义。若1.28mmol/L，取单侧0.05，检验功效为0.90，需要多大样本含量？,2.两样本均数检验总样本量NQ1和Q2为样本比例(samplefraction)Q1=n1/NQ2=n2/NN=n1+n2因而n1=Q1Nn2=Q2NQ1+Q2=1若n1=n2，则Q1=Q2=0.5。,例14-4某人欲比较A、B两种降压药物降低收缩压的疗效，假设两药收缩压下降值相差5mmHg及以上有专业意义，若=12mmHg，取双侧0.05，检验功效为0.90，每组例数相等，问每组需要多少病例？若B组的样本量是A组的两倍，则每组又各需多少病例？若Q1=Q2=0.5若Q1=1/3，Q2=2/3,3.单样本频率检验（大样本）例14-5若已知对晚期胃癌患者用常规镇痛药物止痛的有效率为80%，现欲对某一新药进行试验，预计有效率为93%。若取单侧=0.05，=0.10，问需多少病例？,4.配对二分类资料的检验例14-6拟比较甲、乙两种检测方法对腹泻婴幼儿乳糖不耐受的检出情况，初步估计甲法的阳性检出率为48%，乙法的阳性检出率为30%，两种方法一致的阳性检出率为25%。若取双侧=0.05，=0.10，请估算样本含量。,5.两独立样本频率检验例14-7研究针灸配合心理疗法治疗失眠的效果。预试验中，针灸和心理联合治疗的有效率为94%，单纯应用针灸治疗的有效率为85%。若取双侧=0.05，=0.10，针灸和心理联合治疗组的样本含量占60%，针灸治疗组占40%，问两组各需多少例失眠患者？,第五节临床试验设计临床试验：在人体(病人或健康志愿者)中进行的关于药品(常为新药)的系统性研究，前瞻性。主要目的：确定药品的疗效和安全性特点：1）以人为试验对象；2）对干预措施进行前瞻性的追踪研究；3）试验过程易受多种因素影响，可能有偏倚；4）试验病例需一定时间的积累,一、临床试验概况有关法规：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(GoodClinicalPractice,GCP)化学药品和生物制品临床试验的生物统计学指导原则在进入临床试验前，新药一般要经过实验室和动物实验阶段；细胞培养、动物实验不能取代临床试验，动物实验结果的有效，并不意味对人体一定有效。新药的有效性和安全性需由临床试验确认，其结论必须以统计学原理为基础。,1.临床试验的分期I期临床试验：初步的临床药理学及人体安全性评价试验在数名志愿者身上进行，必要时可包括病人。观察人体对于新药的耐受程度(tolerance)和药物代谢动力学(pharmacokinetics)，为制定给药方案提供依据。期临床试验：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。盲法的随机对照试验(randomizedcontrolledtrial,RCT),期临床试验：遵循随机对照的原则，进一步评价药物的有效性、安全性。扩大的多中心临床试验(multi-centerclinicaltrials)期临床试验：在广泛使用的条件下，考察药品的疗效和不良反应。药品上市后的监测(postmarketingsurveillance),2.病例报告表(casereportform,CRF)表格文件，用以记录每一名受试对象在试验过程中的数据,一式三份，用不同颜色标示，使用无碳复写纸复写内容和格式简明确切。观察项目：主要变量和相关信息。填写者：对效应的判断有统一认识、理解并直接接触受试对象者。不应涂改，如需更正，应将原数据划去，填上更正数据，并保证能看清，还需由更正者签字并注明日期。各种实验室数据均应记录或将原始报告粘贴在CRF上，在参考值范围内的数据也应记录。对明显偏离或在临床可接受范围以外的数据须加以核实，由研究者作必要的说明。,二、临床试验设计的特殊问题临床试验设计仍属实验设计的范畴，还需考虑其特殊的一面。随机化方法随机化分组方案分组方案的遮蔽(concealment),2.盲法-纠正偏倚的重要措施优点：能够避免受试对象和研究者的心理或精神因素影响，使评价、测量更为客观。如条件许可，均应采用盲法试验，双盲不行，则单盲盲法应自始至终地贯彻于整个试验之中：编制盲底(blindcodes)、试验药品的编码、受试对象入组用药、研究者记录试验结果和做出评价、监察员(monitor)进行检查、数据管理直至统计分析盲底泄露，试验视作无效！,4)应急信件与紧急揭盲在发生紧急情况时，由研究人员按试验方案规定的程序拆阅。一旦拆阅，该病例中止试验-脱落(dropout)，中止原因记录在CRF中。所有应急信件在试验结束后随CRF一起收回，以便试验结束后盲态审核。,5)揭盲(un-blinding)试验结束后，方案规定的入组病例的CRF全部输入计算机，并经过监察员、数据管理员、统计学专业人员审核检查。数据文件经过盲态审核(blindreview)，并认定可靠无误后将被锁定(lock)。第一次揭盲：只列出每个病例所属的处理组别(如A组或B组)，进行统计分析。第二次揭盲：统计分析结束后，标明A、B中哪一组为试验组。,3.医学伦理在寻求医学进步和保障病人得到最好的医疗之间找出一个平衡点。1)临床试验必须符合道德原则2)临床试验必须有充分的科学依据3)伦理委员会(ethicscommittee),4)充分保障受试对象的个人权益知情同意(informedconsent)向受试对象提供详细材料：试验目的、预期的益处、受试对象被分配到不同试验组而可能发生的风险与不便、因参加试验而可能受到损害或影响身体健康时能够获得的治疗和补偿。不能强迫，受试对象同意后，须由受试者或其法定代理人在书上签字并注明日期，执行知情同意过程的研究者或其代表也需在知情同意书上签名，并注明日期。受试对象保留在任何时候退出试验的权利。,4.多中心临床试验优点:可以在较短的时间内搜集所需的病例;病例范围、临床条件广，结果具代表性实施：统一组织领导统一试验方案统一人员培训统一监控措施,5.优效性试验、非劣效性试验和等效性试验,优效性试验（superioritytrial）:显示试验药的治疗效果优于对照药（安慰剂或阳性对照药）的试验。非劣效性试验（non-inferioritytrial）:显示试验药的治疗效果在临床上不劣于对照药。等效性试验（equivalencetrial）:确认两种或多种药物治疗效果的差别在临床上可以接受的限度之内。非劣效性试验和等效性试验应先设定专业上有意义的正界值。,例14-8为评价奥美沙坦酯治疗轻、中度原发性高血压患者的降压效果，以氯沙坦钾作为阳性对照药，进行随机双盲双模拟试验。奥美沙坦酯组观察121例，用药8周后舒张压下降mmHg；氯沙坦钾观察126例，用药8周后舒张压下降mmHg。试评价奥美沙坦酯是否非劣效于氯沙坦钾。取允许的差值若两者之差的下限,前者就非劣于后者!两者之差的下限,例14-8（续）若该研究是等效性试验，试评价奥美沙坦酯是否等效于氯沙坦钾。取允许的差值范围若差值的置信区间完全落在允许的差值范围内,两者等效!置信区间完全落在内,所以等效!,6.临床试验统计分析的原则设计、随机化、样本含量、指标选择、测量、盲法、伦理学要求（1）按照治疗意向(intention-to-treat,ITT)做数据分析根据临床试验的要求，对经随机化并分配到各组的全部病例进行统计分析，而不管其是否依计划完成治疗试验。对于未能观察到全部疗效的病例资料：把最后观察到(脱落时)的结果作为其疗效(carryforwardofthelastobservation,CFLO)，这样的数据集称为全分析集(fullanalysisset),（2）符合方案(perprotocol,PP)的数据分析对所有符合试验方案、依从性好(