《卫生统计学》1实验研究的设计与实施

1、2022-1-14.1实验研究的设计与实施实验研究的设计与实施郭艳郭艳中山大学公共卫生学院中山大学公共卫生学院2015.2022-1-14.2医学研究医学研究 干预性研究干预性研究 (Interventional study) 实验研究实验研究 (Experiment) 临床试验临床试验 (Clinical trial) 观察性研究观察性研究 (Observational study)2022-1-14.3第一节第一节 研究设计的统计学原则研究设计的统计学原则Statistical Principle for Research Design2022-1-14.4干预性研究的设计干预性研究的设计

2、 实验设计的三要素：实验设计的三要素：（1）选择什么作为受试对象；）选择什么作为受试对象；（2）确定拟考察的实验因素；）确定拟考察的实验因素；（3）确定实验效应）确定实验效应 实验设计的四原则：实验设计的四原则：（4）确定合适的实验设计类型；）确定合适的实验设计类型；（5）确定样本含量）确定样本含量2022-1-14.5(1) 受试对象受试对象 纳入标准和排除标准纳入标准和排除标准(2) 实验因素实验因素 (干预因素干预因素) 控制重要的非实验因素控制重要的非实验因素 (其他）其他）(3) 实验效应实验效应客观指标和主观指标客观指标和主观指标; 灵敏性和特异性灵敏性和特异性; 准确和精密准确和

3、精密其他其他干预因素干预因素对象对象效应效应其他效应其他效应实验设计的三要素实验设计的三要素2022-1-14.6实验设计的四原则实验设计的四原则（1）对照）对照 (Control） 有比较才有鉴别有比较才有鉴别 自然缓解或者痊愈自然缓解或者痊愈 一项研究可以选择多种类型的对照一项研究可以选择多种类型的对照 多因素研究，也可能有多个对照组多因素研究，也可能有多个对照组 2022-1-14.7常用对照常用对照 1. 空白对照空白对照其他其他干预因素干预因素对象对象1 1干预效应干预效应其他效应其他效应其他其他对象对象2 2其他效应其他效应2022-1-14.8常用对照常用对照 2. 安慰剂对照安

4、慰剂对照(Placebo)其他其他干预因素干预因素对象对象1 1干预效应干预效应其他效应其他效应其他其他对象对象2 2其他效应其他效应安慰剂安慰剂安慰效应安慰效应2022-1-14.9常用对照常用对照 3. 相互对照相互对照其他其他干预干预 A对象对象1 1干预干预A A效应效应其他效应其他效应其他其他干预干预 B对象对象2 2干预干预B B效应效应其他效应其他效应2022-1-14.10常用对照常用对照 4. 实验对照实验对照其他其他干预干预A+C对象对象1 1A+CA+C效应效应其他效应其他效应其他其他干预干预 C对象对象2 2 C C效应效应其他效应其他效应2022-1-14.11常用对

5、照常用对照 5. 自身对照自身对照其他其他干预干预 A对象对象干预干预A A效应效应其他效应其他效应其他其他干预干预 B对象对象干预干预B B效应效应其他效应其他效应2022-1-14.12常用对照常用对照 5. 自身对照自身对照其他其他干预干预A+C对象对象A+CA+C效应效应其他效应其他效应其他其他干预干预B+C对象对象B+CB+C效应效应其他效应其他效应2022-1-14.13常用对照常用对照 6. 标准对照标准对照其他其他干预因素干预因素对象对象效应效应其他效应其他效应对照：对照：标准方法、常规方法标准方法、常规方法，不提倡只用，不提倡只用标准值标准值?2022-1-14.14常用对照

6、常用对照 7. 历史对照历史对照其他其他干预因素干预因素对象对象效应效应其他效应其他效应历史资料历史资料?（一般不宜采用）（一般不宜采用）2022-1-14.15（2）重复）重复 (Repeat) 重复实验、重复取样、重复测量重复实验、重复取样、重复测量 在大量重复实验的条件下，该处理的真实效应才在大量重复实验的条件下，该处理的真实效应才会比较真实地显露出来会比较真实地显露出来 实验组和对照组的实验单位应具有一定的数量实验组和对照组的实验单位应具有一定的数量 样本含量样本含量 与重复实验相比，重复取样和重复测量属于第二与重复实验相比，重复取样和重复测量属于第二位位2022-1-14.16（3）

7、随机）随机 (Randomization) 使实验组与对照组在非实验因素的分布方面尽量使实验组与对照组在非实验因素的分布方面尽量保持均衡一致。保持均衡一致。 降低系统误差的影响，贯穿于设计和实施全过程：降低系统误差的影响，贯穿于设计和实施全过程：（1）样本代表性）样本代表性 总体中任何一个个体都有同等总体中任何一个个体都有同等的机会进入样本；的机会进入样本；（2）组间可比性）组间可比性 样本中任何一个个体都有同等样本中任何一个个体都有同等机会被分配到任何一个组机会被分配到任何一个组（3）排除实验顺序影响）排除实验顺序影响 样本中的任何一个个体先样本中的任何一个个体先后接受处理的机会相同后接受处

8、理的机会相同2022-1-14.17第二节第二节 常用实验设计方案常用实验设计方案 Frequently Used Designs .18 一、一、完全随机设计完全随机设计 （completely randomized design） 例例 将全部将全部n个受试对象随机地分入两个药物组，个受试对象随机地分入两个药物组，分别接受分别接受A1、A2两种药物治疗，观测每个受试对象两种药物治疗，观测每个受试对象白细胞的改变值。白细胞的改变值。例例 在某地区选取在某地区选取18-60岁的正常成年人作为受试岁的正常成年人作为受试对象，从男性、女性两个子总体中分别随机抽样，观对象，从男性、女性两个子总体中分

9、别随机抽样，观测测“性别性别”对血小板的影响。对血小板的影响。- 分别从两个总体中各随机抽取一个样本，接受同分别从两个总体中各随机抽取一个样本，接受同一种处理一种处理目标总体纳入标准排除标准研究对象随机化实验组对照组2022-1-14.19二、配对设计二、配对设计 (paired design)例例 欲研究某药物在体内抗乳腺癌的作用，选取欲研究某药物在体内抗乳腺癌的作用，选取10只已诱发乳腺肿瘤的大鼠皮下注射该药物，一段时间只已诱发乳腺肿瘤的大鼠皮下注射该药物，一段时间后观察每只大鼠乳腺肿瘤体积。后观察每只大鼠乳腺肿瘤体积。 2022-1-14.20三、随机区组设计三、随机区组设计(rando

10、mized block design） 例例 某研究所研制了三个降血脂中药复方制剂，拟与某研究所研制了三个降血脂中药复方制剂，拟与标准降脂药标准降脂药(安妥明安妥明)的疗效进行比较。以第的疗效进行比较。以第45天处死天处死动物，其冠状动脉根部动脉粥样硬化斑块大小为指标。动物，其冠状动脉根部动脉粥样硬化斑块大小为指标。2022-1-14.21四、交叉设计（四、交叉设计（Cross-over design）例例 欲比较欲比较A药与药与B药的生物利用度，以血药浓度药的生物利用度，以血药浓度-时时间曲线下面积作为评价指标。选取间曲线下面积作为评价指标。选取20只实验用大只实验用大鼠，随机均分成两组。第

11、鼠，随机均分成两组。第1组大鼠在第一与第二实验组大鼠在第一与第二实验周期分别接受周期分别接受A药与药与B药，以药，以AB表示；第表示；第2组大鼠在组大鼠在第一与第二实实验周期分别接受第一与第二实实验周期分别接受B药与药与A药，以药，以BA表示。两个实验周期中间，停药表示。两个实验周期中间，停药5个半衰期。个半衰期。.交叉设计的优缺点 优点：交叉设计每个个体接受两种处理，控制个体差优点：交叉设计每个个体接受两种处理，控制个体差异，节约样本含量；也平衡实验顺序对结果的影响。异，节约样本含量；也平衡实验顺序对结果的影响。 缺点：缺点：时间长，不适用于具有自愈倾向或病程短的研究；时间长，不适用于具有自

12、愈倾向或病程短的研究； 两种处理之间应有足够长的洗脱期。两种处理之间应有足够长的洗脱期。数据缺失，增加统计困难。数据缺失，增加统计困难。 应用：应用：药物在短期内有效（如一两周内）；药物在短期内有效（如一两周内）；不使用药物之后药物效果不持久（没有剩效应不使用药物之后药物效果不持久（没有剩效应) )。2022-1-14.23五、析因设计（五、析因设计（Factorial design）例例14-4 欲研究煤焦油欲研究煤焦油(因素因素A)以及作用时间以及作用时间(因素因素B)对细胞毒性的作用。煤焦油含量分为对细胞毒性的作用。煤焦油含量分为3ug/ml (a1)和和75ug/ml (a2) ；作用

13、时间分为；作用时间分为6小时小时(b1)和和8小时小时(b2)。将将16盒已培养好的细胞随机分为四组，分别接受四盒已培养好的细胞随机分为四组，分别接受四种处理种处理 (a1 b1, a2 b1, a1 b2, a2 b2)，测定吸光度，测定吸光度 。2022-1-14.24六、重复测量设计六、重复测量设计(repeated measure design） 将受试对象分成若干个组将受试对象分成若干个组; 每一组接受一种处理每一组接受一种处理; 同一个受试对象同一个受试对象在几个时间点上在几个时间点上观测观测 几个时间点上几个时间点上的观测值的观测值“打包打包”分析分析 .25例例14-5 研究青

14、光眼结膜成纤维细胞增殖表达情况，选研究青光眼结膜成纤维细胞增殖表达情况，选择择20例青光眼患者和例青光眼患者和24例对照，要求基线水平基本一例对照，要求基线水平基本一致，取两组研究对象眼角膜细胞进行培养，分别在致，取两组研究对象眼角膜细胞进行培养，分别在3、7、14、21天四个时间点观察平均细胞数天四个时间点观察平均细胞数 2022-1-14.26第三节第三节 样本含量的估算样本含量的估算 Estimation of Sample Size2022-1-14.27比较两组测定值的均数比较两组测定值的均数2022-1-14.28例：格列美脲、例：格列美脲、 格列苯脲对比研究格列苯脲对比研究（Hb

15、A1c )1. 欲检出欲检出HbA1c临床差异临床差异0.65%2. 假定标准差为假定标准差为1.3%4. 功效功效80% 退出率退出率20%（文中：（文中：152例）例）8 .156%8044.12544.12565. 03 . 1)84. 096. 1 (465. 03 . 1)84. 096. 1 (4)(4 2222/ZZN2022-1-14.29比较两组发生某结局的百分比比较两组发生某结局的百分比 (1) 预计一个组发生某结局的百分比约为预计一个组发生某结局的百分比约为 (2) 预计另一组发生某结局的百分比约为预计另一组发生某结局的百分比约为 (3) 允许犯假阳性错误的机会允许犯假阳

16、性错误的机会 (4) 允许犯假阴性错误的机会允许犯假阴性错误的机会 1221c22122112/)1 (2)1 (2)1 (2ZZNcc22022-1-14.30例：格列美脲、例：格列美脲、 格列苯脲对比研究格列苯脲对比研究（HbA1c 达标达标)17620. 07835. 08697. 1 25. 045. 0)45. 01 (45. 02)25. 01 (25. 0284. 0)35. 01 (35. 096. 12 25. 045. 0)45. 01 (45. 02)25. 01 (25. 0284. 0)35. 01 (35. 096. 12 )1 (2)1 (2)1 (2222221

17、22112/ZZNcc2022-1-14.31临床试验设计与实施中的特殊问题临床试验设计与实施中的特殊问题临床试验临床试验： 在在人为的条件人为的条件控制下，以控制下，以特定的人群特定的人群为受试对象为受试对象 发现和证实干预措施对特定疾病治疗或预防、诊发现和证实干预措施对特定疾病治疗或预防、诊断的断的有效性和安全性有效性和安全性 以及相关的以及相关的药物吸收、分布、代谢和排泄药物吸收、分布、代谢和排泄的研究。的研究。新药临床试验新药临床试验： 新药的安全性、有效性最终必须通过临床试验加新药的安全性、有效性最终必须通过临床试验加以证实。以证实。2022-1-14.32第四节第四节 临床试验设计

18、与实施中临床试验设计与实施中 的特殊问题的特殊问题Special Issues in Clinical Trials 2022-1-14.33一、临床试验的分期一、临床试验的分期I 期临床试验期临床试验： 初步的初步的临床药理学临床药理学及及人体安全性人体安全性评价试验，为评价试验，为制定给药方案提供依据制定给药方案提供依据: 人体耐受性试验人体耐受性试验 药物代谢动力学药物代谢动力学II 期临床试验期临床试验： 初步评价治疗作用。初步评价治疗作用。 药物对目标适应症患者的药物对目标适应症患者的治疗作用治疗作用和和安全性安全性； 为为III期临床试验研究设计期临床试验研究设计和和给药剂量给药剂

19、量方案的确定方案的确定提供依据。提供依据。 可以根据具体的研究目的，采用多种形式。可以根据具体的研究目的，采用多种形式。2022-1-14.34III期临床试验期临床试验： 治疗作用治疗作用确证阶段确证阶段。 进一步验证药物对目标适应症患者的进一步验证药物对目标适应症患者的治疗作用治疗作用和和安全性安全性; 最终为最终为药物注册药物注册申请的审查提供充分的依据申请的审查提供充分的依据; 一般应为具有一般应为具有足够样本量足够样本量的的随机盲法对照试验随机盲法对照试验。IV期临床试验期临床试验： 新药上市后新药上市后由申请人进行的应用研究。由申请人进行的应用研究。 考察在广泛使用条件下的考察在广

20、泛使用条件下的药物的疗效药物的疗效和和不良反应不良反应; 评价在普通或者特殊人群中使用的利益与风险关系评价在普通或者特殊人群中使用的利益与风险关系以及改进给药剂量等。以及改进给药剂量等。2022-1-14.35二、临床试验设计的基本原则二、临床试验设计的基本原则 对照、随机、重复、均衡对照、随机、重复、均衡 + 盲法盲法对照对照要求试验组和对照组来自相同的受试者总体；要求试验组和对照组来自相同的受试者总体；试验开始时两组受试者基本情况相似；试验开始时两组受试者基本情况相似；在试验进行中除试验药物不相同外，其它条件在试验进行中除试验药物不相同外，其它条件均保持均衡；均保持均衡；(1) 应尽量选择

21、公认有效的对照药应尽量选择公认有效的对照药2022-1-14.36(2) 随机随机 多中心临床试验，按照中心进行分层；多中心临床试验，按照中心进行分层； 受试对象的招募按先后顺序适当分段受试对象的招募按先后顺序适当分段(block)，在各段内进行随机化；，在各段内进行随机化； 应用专业随机程序来实现受试对象的随机化。应用专业随机程序来实现受试对象的随机化。2022-1-14.37(3) 重复重复 在研究方案实施前，根据统计学要求对样本含量在研究方案实施前，根据统计学要求对样本含量 N作出估计。作出估计。 期临床试验：治疗组不得少于期临床试验：治疗组不得少于100例；例； III期临床试验：试验

22、组不得少于期临床试验：试验组不得少于300例，对照组不例，对照组不得少于得少于100例；例； 当估计出的当估计出的N大于国家对病例数的最低要求时，以大于国家对病例数的最低要求时，以N为样本含量；为样本含量； 反之，按最低要求确定样本含量。反之，按最低要求确定样本含量。2022-1-14.38(4) 均衡均衡 有时因样本含量不够大，完全随机分组的结果并有时因样本含量不够大，完全随机分组的结果并不能确保两组受试对象在某些重要非试验因素方不能确保两组受试对象在某些重要非试验因素方面均衡一致。面均衡一致。 分层随机可使性别、年龄、病情等对试验组与对分层随机可使性别、年龄、病情等对试验组与对照组的影响达

23、到均衡一致。照组的影响达到均衡一致。2022-1-14.39(5) 盲法盲法 克服研究者或受试者的主观因素可能导致的偏倚。克服研究者或受试者的主观因素可能导致的偏倚。 单盲法单盲法(single-blind) 双盲法双盲法(double-blind) 开放试验开放试验(open-label)2022-1-14.40三、临床试验统计分析三、临床试验统计分析临床试验自始至终须有医学统计专业人员参与：临床试验自始至终须有医学统计专业人员参与： 试验方案的制定和修订试验方案的制定和修订（protocol） 病例报告表病例报告表（CRF）的设计和数据管理的设计和数据管理 制定统计分析计划制定统计分析计划

24、 完成统计分析完成统计分析 提供统计学分析报告和解释提供统计学分析报告和解释 协助完成临床试验的总结报告协助完成临床试验的总结报告2022-1-14.41统计分析计划和报告统计分析计划和报告确定统计分析的指标；确定统计分析的指标；确定统计分析的软件；确定统计分析的软件；确定统计分析数据集；确定统计分析数据集；确定统计分析方法；确定统计分析方法；制定欲报告图形和表格的样式制定欲报告图形和表格的样式2022-1-14.42（2）统计数据集）统计数据集意向性分析数据集意向性分析数据集 （intention-to-treat analysis set, ITT） 对所有经随机化分组的、以合理的方法剔除

25、最少对所有经随机化分组的、以合理的方法剔除最少 病例之后的全部病例；病例之后的全部病例；(严重违反纳入标准的病例、严重违反纳入标准的病例、纳入后未曾用药或无任何可评价记录的病例）纳入后未曾用药或无任何可评价记录的病例） 将其中未能观察到全部治疗过程的病例资料，用将其中未能观察到全部治疗过程的病例资料，用 最后一次观察数据结转到试验最终结果（最后一次观察数据结转到试验最终结果（last observation carry forward, LOCF）2022-1-14.43符合方案数据集符合方案数据集 (per-protocol set, PPS) 所有符合试验方案、依从性好、试验期间未服禁所有

26、符合试验方案、依从性好、试验期间未服禁用药物、完成用药物、完成CRF规定主要填写内容的病例，或服规定主要填写内容的病例，或服用试验用药数量在用试验用药数量在80%-120%者。者。安全性数据集安全性数据集（safety set, SS） 所有经随机化分组，只要服用过所有经随机化分组，只要服用过1次研究药物并次研究药物并进行了至少进行了至少1次安全性评估的患者，构成本研究的次安全性评估的患者，构成本研究的安全性数据集。安全性数据集。2022-1-14.44（3）缺失值的处理方法）缺失值的处理方法 三类缺失机制：三类缺失机制： 完全随机缺失完全随机缺失(missing completely at

27、random, MCAR), 数据缺失完全由随机因素造成，既不取决于数据缺失完全由随机因素造成，既不取决于已观察到的数据，也不取决于未被观察到的数据；已观察到的数据，也不取决于未被观察到的数据； 随机缺失随机缺失(missing at random, MAR), 缺失的概缺失的概率取决于已有的观察结果，不取决于未观察到的结果；率取决于已有的观察结果，不取决于未观察到的结果； 非随机缺失非随机缺失(missing not at random，NAR), 缺缺失概率与当前观察到和尚未观察到的结果有关。失概率与当前观察到和尚未观察到的结果有关。2022-1-14.45忽视缺失值（忽视缺失值（igno

28、re/disregard missing data）仅采用完整病例进行分析，违背了仅采用完整病例进行分析，违背了ITT原则，原则，确证性试验不推荐这样处理；确证性试验不推荐这样处理；仅在以下情况下考虑使用：仅在以下情况下考虑使用：在探索性研究中，在药物研发的初期阶段；在探索性研究中，在药物研发的初期阶段；在确证性试验中，作为次要结果的处理方法，用在确证性试验中，作为次要结果的处理方法，用以支持性分析来说明结论的稳健性。以支持性分析来说明结论的稳健性。2022-1-14.46数据填补数据填补（data imputation）相对小的缺失率（例如相对小的缺失率（例如1015）；）；含有缺失值的变量

29、对于所要研究的问题具有非含有缺失值的变量对于所要研究的问题具有非常重要的意义；常重要的意义；有合理的假设和结转技术，一般宜遵循保守的有合理的假设和结转技术，一般宜遵循保守的原则；原则；不同填补方式产生的结论需进行敏感性分析。不同填补方式产生的结论需进行敏感性分析。2022-1-14.47（4）统计检验类型）统计检验类型差异性检验差异性检验 零假设：两组（或多组）总体参数间没有差别零假设：两组（或多组）总体参数间没有差别 对立假设：两组（或多组）总体参数间有差别。对立假设：两组（或多组）总体参数间有差别。 差别的大小？差别的大小？ - 临床试验要求评价疗效差别！临床试验要求评价疗效差别！ 差异性

30、检验不能回答此问题差异性检验不能回答此问题2022-1-14.48C优T优试验组-对照组(T-C)01 尚不能说有差异尚不能说有差异图图1 差异性试验置信区间示意图差异性试验置信区间示意图2 尚不能说有差异尚不能说有差异3 有差异有差异4 有差异有差异2022-1-14.49非劣效性试验非劣效性试验事先给定事先给定零假设：试验药疗效比对照药的疗效要差零假设：试验药疗效比对照药的疗效要差 H0: 试验药疗效试验药疗效-对照疗效对照疗效-对立假设：试验药疗效对立假设：试验药疗效不不比对照药的疗效比对照药的疗效差差 H1: 试验药疗效试验药疗效-对照疗效对照疗效- 拒绝零假设拒绝零假设试验药非劣于对

31、照药试验药非劣于对照药2022-1-14.50C优T优试验组-对照组(T-C)-01 非劣非劣图图2 非劣效性试验置信区间示意图非劣效性试验置信区间示意图4 尚不能下结论尚不能下结论2 非劣非劣3 非劣非劣5 劣劣2022-1-14.51优效优效性试验性试验事先给定事先给定零假设：试验药零假设：试验药的的疗效疗效劣于劣于对照药对照药 H0: 试验药疗效试验药疗效-对照疗效对照疗效 对立假设：试验药对立假设：试验药的的疗效疗效优于优于对照药对照药 H1: 试验药疗效试验药疗效-对照疗效对照疗效 拒绝零假设拒绝零假设试验药试验药优优于对照药于对照药2022-1-14.52试验组试验组-对照组对照组

32、 (T-C)C优T优 01 非优非优图图3 优效性试验置信区间示意图优效性试验置信区间示意图2 非优非优3 非优非优4 尚不能下结论尚不能下结论5 优优2022-1-14.53等效性试验等效性试验 仿制药可否被接受？仿制药可否被接受？ 小剂量能否代替大剂量？小剂量能否代替大剂量？ 口服药能否代替注射药？口服药能否代替注射药？ “等效等效”: 两药物的疗效相差不超过一个指定的界值两药物的疗效相差不超过一个指定的界值 “等效性检验等效性检验”，相当于一个，相当于一个“非劣性检验非劣性检验” 和一和一个个“非优性检验非优性检验” ： 试验药非劣于对照药？试验药非劣于对照药？ 试验药非优于对照药？试验

33、药非优于对照药？ 若试验药非劣于对照药若试验药非劣于对照药, 并且非优于对照药，并且非优于对照药， 则试验药等效于对照药则试验药等效于对照药2022-1-14.54试验组-对照组(T-C) C优 T 优-01 非劣非劣图图4 等效性试验置信区间示意图等效性试验置信区间示意图2 非优非优3 非劣非劣 非优非优 - 等效等效.55小结小结1. 实验设计的作用：实验设计的作用： 合理安排实验因素和合理安排实验因素和非实验非实验因素，提高实验效率；因素，提高实验效率； 控制和减少实验误差，提高研究质量控制和减少实验误差，提高研究质量2. 为保证实验的可靠性和可重复性，在实验设计中所为保证实验的可靠性和可重复性，在实验设计中所用的随机化方法、随机数及产生随机数的程序、种子用的随机化方法、随机数及产生随机数的程序、种子数等均应有记录。数等均应有记录。3. 单因素设计和统计分析都比较简单，但实验效率较单因素设计和统计分析都比较简单，但实验效率较低，只能考察一个因素对观测结果的影响情况。低，只能考察一个因素对观测结果的影响情况。2022-1-14.564. 配对设计能有效地降低来自个体差异对观测结果配对设计能有效