重复课件8医学实验设计

1、浙江大学流行病与卫生统计学系浙江大学流行病与卫生统计学系王建炳王建炳2014-04-08内容第一节第一节 常见实验设计方法的选择常见实验设计方法的选择第二节第二节 随机分组设计与统计分析随机分组设计与统计分析单因素设计单因素设计 完全随机设计完全随机设计 配对设计配对设计 交叉设计交叉设计 配伍组设计配伍组设计 拉丁方设计拉丁方设计多因素设计多因素设计 析因设计析因设计 正交设计正交设计 嵌套设计嵌套设计 裂区设计裂区设计u医学实验设计由专业设计与统计设计构成。医学实验设计由专业设计与统计设计构成。专业设计体现着研究的创新性与学术水平，它的好坏取决专业设计体现着研究的创新性与学术水平，它的好坏

2、取决于专业知识水平与科研思维能力；于专业知识水平与科研思维能力；统计设计则是使收集得到的数据适合于统计分析，得出有统计设计则是使收集得到的数据适合于统计分析，得出有效的和客观的结论，是对专业设计的合理性与实验结果可效的和客观的结论，是对专业设计的合理性与实验结果可靠性的重要保证。靠性的重要保证。u实验设计的基本原则实验设计的基本原则: :对照对照随机随机盲法盲法( (重复重复) )第一节第一节 常见实验设计方法的选择常见实验设计方法的选择在开展实验设计时一般遵循以下步骤，以求选择最适宜在开展实验设计时一般遵循以下步骤，以求选择最适宜的设计方案：的设计方案：1.识别问题和明确问题。识别问题和明确

3、问题。2.因素和水平的选择。因素和水平的选择。实验者必须选择在实验中准备来研究的实验者必须选择在实验中准备来研究的因素，及其水平。如一次实验涉及的处理因素只有一个，则因素，及其水平。如一次实验涉及的处理因素只有一个，则为单因素设计。而因素在实验中所处的每个状态称为因素的为单因素设计。而因素在实验中所处的每个状态称为因素的一个水平（一个水平（level），也称处理组。），也称处理组。3.影响变量的选择。影响变量的选择。4.实验设计的选择。实验设计的选择。选择设计方案涉及样本量选择设计方案涉及样本量(重复次数重复次数)，对实，对实验选择合适的试验次序，确定是否划分区组或是否随机化。验选择合适的试验

4、次序，确定是否划分区组或是否随机化。u根据实验中处理因素和水平数的多少可将实验设计分为根据实验中处理因素和水平数的多少可将实验设计分为单因素设计单水平、单因素多水平、多因素单水平和多单因素设计单水平、单因素多水平、多因素单水平和多因素多水平设计。因素多水平设计。u例如，比较例如，比较1h、2h和和6h三个不同时间段三个不同时间段(三个水平三个水平)的药的药物浓度变化，只需回答处理组间差异有无统计意义，这物浓度变化，只需回答处理组间差异有无统计意义，这就属单因素多水平实验。单因素设计有完全随机设计、就属单因素多水平实验。单因素设计有完全随机设计、配对设计和序贯设计。配对设计和序贯设计。一一 根据

5、研究（处理）因素和水平数根据研究（处理）因素和水平数量选择设计方案量选择设计方案u倘若上例除回答处理组间差异意义外，还需考虑几种不倘若上例除回答处理组间差异意义外，还需考虑几种不同药物间的药物浓度变化，则需回答的问题有两个，这同药物间的药物浓度变化，则需回答的问题有两个，这就属于两因素实验。就属于两因素实验。u如果除考虑上述两个问题外，还需回答不同高血压类型如果除考虑上述两个问题外，还需回答不同高血压类型对药物浓度变化的影响，那么需回答的问题有三个，就对药物浓度变化的影响，那么需回答的问题有三个，就属于三因素实验。属于三因素实验。当处理因素不止是一个时，就是多因当处理因素不止是一个时，就是多因

6、素实验设计，包括析因设计、正交设计和裂区设计等。素实验设计，包括析因设计、正交设计和裂区设计等。l多因素设计可了解因素间交互作用，常见有析因设计、正多因素设计可了解因素间交互作用，常见有析因设计、正交设计。多因素多水平研究不仅可以评价因素的主次，而交设计。多因素多水平研究不仅可以评价因素的主次，而且可分析因素的交互作用与最佳组合。析因设计是全面考且可分析因素的交互作用与最佳组合。析因设计是全面考虑，全部实施，工作量大，故目前仅用于简单的多因素多虑，全部实施，工作量大，故目前仅用于简单的多因素多水平试验。正交设计是全面考虑，部分实施，工作量小于水平试验。正交设计是全面考虑，部分实施，工作量小于析

7、因设计，目前一般多因素多水平研究常用这种设计。析因设计，目前一般多因素多水平研究常用这种设计。正正交设计是减少因素试验次数的有效方法。交设计是减少因素试验次数的有效方法。 根据试验研究对象的分组情况可分为单组、两组和根据试验研究对象的分组情况可分为单组、两组和多组试验。多组试验。 单组的试验，比较的实验对象为同一批次对象，常单组的试验，比较的实验对象为同一批次对象，常见的有自身前后配对设计、自身左右配对设计和序见的有自身前后配对设计、自身左右配对设计和序贯设计。贯设计。 两组研究对象间的比较试验是较为常用的设计。在两组研究对象间的比较试验是较为常用的设计。在具备配对条件下，一般采用异体配对设计

8、；若受试具备配对条件下，一般采用异体配对设计；若受试对象来源较少时，可采用交叉设计。两组试验如不对象来源较少时，可采用交叉设计。两组试验如不具备配对条件，且设计时确定样本含量具备配对条件，且设计时确定样本含量(n)，可用，可用完全随机设计。完全随机设计。 多组试验则考虑了配伍条件、区组样本量、因素数多组试验则考虑了配伍条件、区组样本量、因素数组、交互作用等方面，常见有完全随机设计、配伍组、交互作用等方面，常见有完全随机设计、配伍组设计、分层设计、拉丁方设计、析因设计等。组设计、分层设计、拉丁方设计、析因设计等。二、根据实验组数选择设计方法二、根据实验组数选择设计方法 假设假设检验方法的选择主要

9、取决于资料的性质与实验假设假设检验方法的选择主要取决于资料的性质与实验设计类型，同时也与因素数量、水平、样本含量等有关。设计类型，同时也与因素数量、水平、样本含量等有关。常用的检验方法的选择归纳如下：常用的检验方法的选择归纳如下： 三、假设检验方法的选择三、假设检验方法的选择假假 设设 检检 验验 方方 法法 无无 序序 分分 类类 变变 量量 资资 料料 数数 值值 变变 量量 资资 料料 有有 序序 分分 类类 变变 量量 资资 料料 配配 对对 t 检检 验验 配配 对对 设设 计计 配配 对对 2检检 验验 配配 对对 设设 计计 方方 差差 分分 析析 完完 全全 随随 机机 设设

10、计计 （ 变变 量量 转转 换换 ） 析析 因因 设设 计计 正正 交交 设设 计计 均均 匀匀 设设 计计 2检检 验验 完完 全全 随随 机机 设设 计计 秩秩 和和 检检 验验 完完 全全 随随 机机 设设 计计 （ 方方 差差 不不 齐齐 或或 非非 正正 态态 ） 配配 对对 设设 计计 （ 差差 值值 非非 正正 态态 ） Ridit 或或 H 检检 验验 完完 全全 随随 机机 设设 计计 触触 线线 判判 断断 序序 贯贯 设设 计计 表表1 试验设计假设检验方法选择试验设计假设检验方法选择随机化是这类研究设计的最基本原则随机化是这类研究设计的最基本原则单因素设计单因素设计 完

11、全随机设计完全随机设计 配对设计配对设计 交叉设计交叉设计 配伍组设计配伍组设计 拉丁方设计拉丁方设计多因素设计多因素设计 析因设计析因设计 正交设计正交设计 嵌套设计嵌套设计 裂区设计裂区设计第二节第二节 随机分组设计与统计分析随机分组设计与统计分析一、一、 完全随机设计完全随机设计 （一）基本概念（一）基本概念 完全随机设计完全随机设计(completely random design)是一种是一种将受试对象按随机原则分配到不同处理组，然后将受试对象按随机原则分配到不同处理组，然后分别给予被试因素，随后对它们的效应进行同期分别给予被试因素，随后对它们的效应进行同期平行观察，最后对实验结果做

12、出统计分析平行观察，最后对实验结果做出统计分析 。第二节第二节 随机分组设计与统计分析随机分组设计与统计分析u完全随机设计是单因素的设计方法。完全随机设计是单因素的设计方法。u优点：优点：简单易行，统计分析简单，是医学科研中最常采用的简单易行，统计分析简单，是医学科研中最常采用的一种实验设计。其适应面广，不论两组或多组、不管组间样一种实验设计。其适应面广，不论两组或多组、不管组间样本含量相等或不等，均可采用这种设计。本含量相等或不等，均可采用这种设计。u缺点：缺点：要求实验对象有较好的同质性，尤其在小样本实验时，要求实验对象有较好的同质性，尤其在小样本实验时，受试对象完全按随机分配，可能造成较

13、大的抽样误差，因此受试对象完全按随机分配，可能造成较大的抽样误差，因此在大多数情况下，这种设计的效率低于配对设计在大多数情况下，这种设计的效率低于配对设计(两组两组)和配伍和配伍组设计组设计(多组多组)。一般来说，由于这种设计的效率较低，实验所。一般来说，由于这种设计的效率较低，实验所需样本含量相对较多。需样本含量相对较多。u凡两组实验无法配对或多组实验无法配伍的情况，均可凡两组实验无法配对或多组实验无法配伍的情况，均可采用完全随机设计。采用完全随机设计。( (二）设计模式二）设计模式以以N为受试对象的总体，为受试对象的总体，Ne为纳入实验的合格受为纳入实验的合格受试对象，试对象，R为随机，为

14、随机，I、II、K为组别，为组别，D为实验为实验效应数据，效应数据，T为被试因素，则完全随机设计的模为被试因素，则完全随机设计的模式见下图：式见下图： 例将例将12只小鼠只小鼠随机分为随机分为A、B、C三组。三组。先将先将12只小鼠编号，然后从随机数字表查找只小鼠编号，然后从随机数字表查找12个个两位数，将随机数从小到大排列后得序号两位数，将随机数从小到大排列后得序号X，并，并规定规定X=14者为者为A组，组，X=58者为者为B组，组，X=912者者为为C组。组。随机分组时注意：随机分组时注意：u 查找随机数时，位数不应小于研究单位数的位查找随机数时，位数不应小于研究单位数的位数；数；u 查找

15、随机数时，如果出现重号，则选后一个随查找随机数时，如果出现重号，则选后一个随机数；机数；u 如果设计上要求组间例数不等，可利用序号如果设计上要求组间例数不等，可利用序号X作调整。作调整。 定量资料的完全随机设计实验，在组与组之间样定量资料的完全随机设计实验，在组与组之间样本含量相等本含量相等(n1n2)条件下，每组样本含量条件下，每组样本含量(n)的的计算公式如下：计算公式如下：式中式中s为标准差，为标准差，d为预定差数，为预定差数，z与与z分别为规定的分别为规定的与与在正态分布曲线下面积的正在正态分布曲线下面积的正z值与负值与负z值。值。（三）样本含量估计（三）样本含量估计2)zz)(d/s

16、 (2n 定性资料的完全随机设计实验，在定性资料的完全随机设计实验，在n1=n2条条件下，每组样本含量件下，每组样本含量(n)的计算公式如下：的计算公式如下：若多组共用一个对照组时，则共用对照组的样本含量若多组共用一个对照组时，则共用对照组的样本含量(nc)应当应当随处理组组数扩大而增加，通常应是：随处理组组数扩大而增加，通常应是： 式中式中n为各处理组样本含量，为各处理组样本含量，K为处理组组数。为处理组组数。 Knnc 2212211)/()()(ppzzqpqpn （四）假设检验方法（四）假设检验方法n定量资料的比较定量资料的比较 完全随机设计的两组定量资料比较常用完全随机设计的两组定量

17、资料比较常用t检验或秩和检验。使用检验或秩和检验。使用t检验的资料应当符合正态分布与检验的资料应当符合正态分布与方差齐两个基本要求，否则，应采用非参数检验或方差齐两个基本要求，否则，应采用非参数检验或t检验。检验。n当方差不齐或不呈正态分布时，完全随机设计实验两样本当方差不齐或不呈正态分布时，完全随机设计实验两样本秩和检验通常采用秩和检验通常采用Mann-Whitney rank sum test (即秩和检即秩和检验验)，又称，又称Wilcoxon法。法。n完全随机设计多组实验资料的比较，宜采用方差分析完全随机设计多组实验资料的比较，宜采用方差分析(analysis of variance，

18、ANOVA)，或，或Kruskal-Wallis法。法。举例举例例例. 30只雄性大鼠随机分为只雄性大鼠随机分为3组，分别接受不同的实验组，分别接受不同的实验处理，处理，A组为对照组，组为对照组，B组为组为24小时切痂组，小时切痂组，C组为组为96小时切痂组，测量三组动物肝脏的小时切痂组，测量三组动物肝脏的ATP含量，结果见含量，结果见表表3。定性资料的比较定性资料的比较 在样本例数较大情况下，采用在样本例数较大情况下，采用u检验。当样本例数较小时，检验。当样本例数较小时，如如np5且且n(1-p)5，则采用，则采用u检验校正式。检验校正式。分类无序变量可采用分类无序变量可采用Pearson

19、2检验检验(当当n40,且且Tmin5时时)、连续校正连续校正 2检验检验(当当n40,且且1 Tmin 0.05B1242024208.070.05误差164800300表表12 2因素因素2水平析因设计实验的均数差别水平析因设计实验的均数差别结论：尚不能认为两种缝合方法对神经轴突通过率有影响，可以认为结论：尚不能认为两种缝合方法对神经轴突通过率有影响，可以认为缝合后缝合后2个月与个月与1个月相比，神经轴突通过率提高了。个月相比，神经轴突通过率提高了。二、正交设计二、正交设计 （一）基本概念（一）基本概念u正交设计正交设计(orthogonal design)，是按照正交表和相应交互表进行的

20、实验设计，它是进行多因素多水平实验的效率很高的设计方法。这种设计不仅能明确各因素的主次地位，而且能知道哪些因素存在什么性质的交互影响，还可以找出诸因素各水平的最佳配比，因此已广泛应用于各科研领域。u与析因设计的区别与析因设计的区别：析因设计是全面实验，而正交设计，不是全面实验，是n个处理组各因素各水平的部分组合，或称为析因设计的部分实施。如：有五个因素，A、B、C、D、E，每个因素有两个水平，按析因设计的话一共有25=32个处理组，但采用正交设计，可以有16次或8次实验。u当实验因素比较多的时候，采用正交设计可以成倍的减少试验次数，但要注意，正交设计之所以能成倍减少实验次数，是以牺牲分析各因素

21、的交互作用为代正交设计之所以能成倍减少实验次数，是以牺牲分析各因素的交互作用为代价的价的。n正交设计在医学研究中的用途广泛，如：寻找疗效好的药物配方、医疗仪器多个参数的优化组合，生物体的培养条件等，凡涉及多因素多水平的实验，都可采用正交设计。n中医治病大多数采用复方，且各药的剂量不同，因此，可利用正交设计研究中药或西药复方的疗效。（二）正交表（二）正交表正交设计比较复杂，一般设有专门的工具正交设计比较复杂，一般设有专门的工具正交表。正交表。正交表的表达正交表的表达形式是形式是LN(mk)，其中，其中L代表正交表，代表正交表，N代表试验次数，代表试验次数，k最多可安排的最多可安排的因素个数，因素

22、个数，m代表各因素的水平数。代表各因素的水平数。见下面的见下面的L8(27)正交表。正交表。试验号列号12345671111111121112222312211224122221152121212621221217221122182212112表表13 L8(27)正交表正交表正交表具有两个数学性质：正交表具有两个数学性质： 每列中水平每列中水平1与水平与水平2出现次数相等出现次数相等(两者各为两者各为4次次)； 任意两列中，将一横行的水平看成有序的数对任意两列中，将一横行的水平看成有序的数对(1，l；l，2；2，1；2，2)，每个数对出现的次数相等，每个数对出现的次数相等(每个每个数对各为数

23、对各为2次次)。正交性的存在，使各种搭配均衡地。正交性的存在，使各种搭配均衡地分散到试验范围各部份中去，因而使各部份具有较分散到试验范围各部份中去，因而使各部份具有较强的代表性。强的代表性。 （三）正交表的表头设计（三）正交表的表头设计正交设计的首要关键是表头设计，就是将因素及其交互作用在正交表的表头上进行有计划地合理安排。一个表头设计就是一个设计方案。表头设计的原则：表头设计的原则：研究因素与不可忽略的交互作用不能安排在同一列；因素的水平数，应该根据实验的目的，参照专业知识而定；能忽略的交互作用，尽量要忽略；在多因素中凡是作用已经明确的因素，不再列入观察的因素中。因素个数实施比例123456

24、731ABABCACBCABC41/2ABAB=CDCAC=BDBC=ADD表表14 L8(27)正交设计表的正交设计表的 表头设计表头设计举例u现在要研究雌螺产卵的最有条件，在20cm2的泥盒里饲养同龄雌螺10只，试验条件有4个因素，每个因素有2个水平。试在考虑温度和含氧量对雌螺产卵有交互作用的情况下安排正交试验。首先可查看L8（27）正交表的表头设计，现在要考虑AB有交互作用，那么看表头设计表，A、B、C、D四个因素只能安排在L8（27）正交设计表的1、2、4、7列，正交设计结果见下表。实验序号实验序号A因素因素温度温度()B因素因素含氧量（含氧量（%）C因素因素含水量含水量(%)D因素因

25、素pH值值产卵数产卵数量量150.5106.086250.5308.095355.0108.091455.0306.0945250.5108.0916250.5306.0967255.0106.0838255.0308.088表表15 雌螺产卵条件的正交实验雌螺产卵条件的正交实验三、三、嵌套设计嵌套设计u嵌套设计嵌套设计，也称为窝设计。与析因设计不同的是：嵌套设计的处理不是各因素各水平的全面组合，而是各个因素按照其隶属关系系统分组，各个因素按照其隶属关系系统分组，各因素水平没有交叉各因素水平没有交叉。u如，研究伞兵跳伞着陆时的冲击力，设A因素是受试者的负荷，共2个水平，其中a1表示无负荷，a2

26、表示负荷26.5kg；而B因素，是平台的高度，B因素的水平是随着A因素的水平变化而变化的，当a1水平时，平台高度有3个水平，分别是0.5m、1.5m和2m；当a2水平时，平台高度也有3个水平，分别是0.5m、0.8m和1m。B因素的各个水平的变化是按照A因素在进行系统分组的。A (缝合方法缝合方法)无负荷无负荷 (a1)有负荷有负荷(a2)0.5m1.5m2m0.5m0.8m1mB (缝合后时间缝合后时间)b11b12b13b21b22b23四、裂区设计与分析四、裂区设计与分析n裂区设计可视为析因设计的一种特殊形式。裂区设计可视为析因设计的一种特殊形式。 n随机区组设计的析因设计，如：3 2的析因设计，3 2的析因设计有3个因素，一个因素水平