实验设计与数据分析

1、 放射医学与防护学院研究生讲坛放射医学与防护学院研究生讲坛实验设计与数据分析实验设计与数据分析沈月平, 副教授, Ph.D苏州大学医学部 公共卫生学院流行病与卫生统计教研室Email: Tel: 65880079(O) Office room: 401-1403Contentsl实验设计基本概念实验设计基本概念l数据处理案例数据处理案例-SPSS软件软件l结果呈现和描述结果呈现和描述2 实验设计（实验设计（experimental design）l科研设计科研设计根据根据特定的研究目的，对一项科学研究的全过程，包括资料特定的研究目的，对一项科学研究的全过程，包括资料的收集、整理和分析等，进行科

2、学地、有效地和周密地计划的收集、整理和分析等，进行科学地、有效地和周密地计划和安排，从而保证研究工作的顺利进行。和安排，从而保证研究工作的顺利进行。l实验设计实验设计是指研究者根据研究目的人为地对受试对象（人或动物）施是指研究者根据研究目的人为地对受试对象（人或动物）施加干预因素的研究。加干预因素的研究。 实验设计内容实验设计内容l专业设计专业设计：是从专业角度考虑设计的科学性，包括选题、提出假设、确定受试对象和技术方法。 课题：课题： 低剂量辐射对小鼠淋巴细胞影响研究低剂量辐射对小鼠淋巴细胞影响研究l统计设计统计设计：统计设计是从统计角度考虑设计的科学性，它包括资料如何获得、如何整理及如何分

3、析等 实验设计实验设计“三要素三要素”l受试对象：细胞株、小鼠等，同质；受试对象：细胞株、小鼠等，同质；l处理因素：注意非处理因素处理因素：注意非处理因素/混杂因子；混杂因子；l效应指标：灵敏和特异，准确，误差小；效应指标：灵敏和特异，准确，误差小； 实验设计实验设计“三原则三原则”l对照：为了使处理因素的作用凸显空白对照实验对照标准对照相互对照l随机化：是均衡两组或多种混杂因子最好的方法之一l重复：个体重复或实验重复，尽量避免把偶然性当做普遍存在的规律 实验设计类型实验设计类型l完全随机设计（常用）完全随机设计（常用）l配对设计配对设计l配伍组设计（常用）配伍组设计（常用）l析因设计析因设计

4、l重复测量重复测量设计（常用）设计（常用） 完全随机设计完全随机设计completely randomized designl将受试对象随机分配到两组或多组实验水平中将受试对象随机分配到两组或多组实验水平中l简单，宜操作简单，宜操作l采用随机化的方法（抓阄、随机数字表、统计软件采用随机化的方法（抓阄、随机数字表、统计软件）受试对象受试对象随机化随机化试验组试验组对照组对照组纳入纳入标准标准排除标准排除标准案例案例1 铁皮枫斛对小鼠急性放射铁皮枫斛对小鼠急性放射性损伤保护作用研究性损伤保护作用研究l为了研究为了研究铁皮枫铁皮枫斛（斛（DCWD）对）对小鼠急性放射性损伤保护小鼠急性放射性损伤保护作

5、用，将作用，将24只清洁只清洁级雌性级雌性BALB/c 小小鼠随机分配到鼠随机分配到4组中，每组组中，每组4只。第只。第1组为组为空白对照，第空白对照，第2组为单纯照射组；第组为单纯照射组；第3组照射前灌胃给药，每天组照射前灌胃给药，每天1次，次，连续连续16d, 剂量剂量2g/kg(低剂量组低剂量组), 第第4组组4g/kg（高剂量（高剂量组组），），3组均用组均用4Gy 6MV X射线射线(Sl18 型直线加速器型直线加速器,Philips)全身单次均匀全身单次均匀照射；服照射；服药组照射后再服药药组照射后再服药4d, 将将4组小鼠活杀，组小鼠活杀，剖取一侧剖取一侧股骨，测量股骨，测量DN

6、A的的含量含量(ug)并进行比较。并进行比较。 表表1 铁皮枫斛对小鼠急性放射性损伤保护作用groups照射照射给药给药 DNA/ug对照组-166.3, 178.1, 169.3,160.2,181.3,182.1单纯照射组4Gy-59.4, 71.3, 72.1, 79.2, 60.07, 54.2DCWD低剂量组4Gy2g/kg83.6, 71.2, 75.4, 74.3, 92.1, 89.0DCWD高剂量组4Gy4g/kg96.4, 85.3, 87.2, 104.3, 105.1,89.1 配对设计（配对设计（paired design）配对条件：性别、年龄、体重等等配对条件：性别

7、、年龄、体重等等自身配对：前后对照试验、同一对象采用两种不同的方法自身配对：前后对照试验、同一对象采用两种不同的方法优点：优点：实验误差较小、检验效率较高、所需样本量也较小。实验误差较小、检验效率较高、所需样本量也较小。缺点：缺点：当配对条件未能严格控制造成配对失败或配对欠佳时，反而会降低效率。当配对条件未能严格控制造成配对失败或配对欠佳时，反而会降低效率。研究对象研究对象纳入标准纳入标准排除标准排除标准对子对子1配对配对条件条件实验组实验组A2随机化随机化对子对子2对子对子K对照组对照组A1B1B2K1K210 案例案例 2 配对设计配对设计l为了比较两种方法对乳酸饮料中脂肪含量测定结果是否

8、不同，某研究者随机抽取了10份乳酸饮料制品，分别用脂肪酸水解法和哥特里-罗紫法测定其结果（%），问两种方法是否不同？ 表2 脂肪酸水解法和哥特里-罗紫法测定结果比较 编号编号 脂肪酸水解法脂肪酸水解法哥特里哥特里-罗紫法罗紫法1 0.5800.84020.5090.59130.5000.67440.3160.63250.3370.68760.5170.97870.4540.75080.5120.73090.9971.200100.5060.870 配伍配伍组组设计设计randomized block design配伍条件：性别、年龄、体重等等配伍条件：性别、年龄、体重等等优点：优点：增强各组间

9、的均衡性，进一步控制混杂偏倚。配伍组设增强各组间的均衡性，进一步控制混杂偏倚。配伍组设计的检验效能高于完全随机设计计的检验效能高于完全随机设计研究对象研究对象纳入标准纳入标准排除标准排除标准区组区组1配伍配伍条件条件实验组实验组2A2随机化随机化区组区组2区组区组K实验组实验组1对照对照A1A3B2B1B3K1K2K312 案例案例3-1某研究者采用随机区组设计进行实验，比较三种抗癌药某研究者采用随机区组设计进行实验，比较三种抗癌药物对小白鼠肉瘤抑瘤效果，先将物对小白鼠肉瘤抑瘤效果，先将1515只染有肉瘤小白鼠按只染有肉瘤小白鼠按体重大小配成体重大小配成5 5个区组，每个区组内个区组，每个区组

10、内3 3只小白鼠随机接受只小白鼠随机接受三种抗癌药物，以肉瘤的重量为指标，试验结果下表。三种抗癌药物，以肉瘤的重量为指标，试验结果下表。问三种不同药物的抑瘤效果有无差别？问三种不同药物的抑瘤效果有无差别？区组区组A药药B药药C药药10.820.650.5120.730.540.2330.430.340.2840.410.210.3150.680.430.24表表3 3 不同不同药物作用后小白鼠肉瘤重量（药物作用后小白鼠肉瘤重量（g g）13 案例案例3-2l为探讨复方丹参注射液在恶性肿瘤治疗中的作用机理，有研究者观察了不同浓度的复方丹参注射液，对HepG2细胞（人肝癌细胞株）、SGC-7901

11、细胞（人胃腺癌细胞株）及BEL-7402细胞（人肝癌细胞）的体外杀伤情况，结果见表4，问不同药物浓度的作用是否有差别？l 表5 复方复方丹参作用后的肿瘤细胞体外成活情况（丹参作用后的肿瘤细胞体外成活情况（%）细胞株药物终浓度（l/mL） 3001507537.518.759.3754.6875HepG2727291102115111105SGC-790175405572859092BEL-740277668177848988 析因设计析因设计（factorial design)factorial design)l概念:是一种多因素多水平交叉分组进行全面实验的设计方法 案例案例4 析因设计析因设

12、计 例：为了研究不同氧浓度（因素B）和抗癌药（因素A），对用放射性3H-胸腺嘧啶（3H-TdR）渗入后的人红白血病细胞K562的抑制效果，因素B分为B1（-）、B2（含氧20%），因素A为A1（-），A2（表阿霉素），进行22析因设计，数据见下表，试分析A、B两因素对K562细胞的抑制效果。表表 1 A、B两两因素因素伴伴随随3H-TdR 渗渗入入对对 K562细胞细胞的的抑制抑制作用作用 相对相对抑制抑制值值 B：氧氧浓度浓度 重重复复实验实验 编号编号 A 药药 A1（-） A2（表表阿阿霉霉素素） B1（-） 1 0.31 0.19 2 0.18 0.20 3 0.12 0.18 4 0

13、.13 0.17 B2 （含含氧氧 20%） 1 0.29 0.81 2 0.27 1.01 3 0.29 1.18 4 0.28 0.94 表6析析因因设计设计效应效应示意示意 B 因素因素 A 因素因素 A1 A2 A2-A1 B1 A1B1 A2B1 A2B1-A1B1 B2 A1B2 A2B2 A2B2-A1B2 B2-B1 A1B2-A1B1 A2B2-A2B1 A 的的效应效应=（A2B2-A1B2）+（A2B1-A1B1）/2 B 的的效应效应=（A2B2-A2B1）+（A1B2-A1B1）/2 交交互互作用作用的的概念概念： 当当某某因素因素的的单独单独效应效应随随另另一一因素

14、因素的的水平水平而而变化变化时时， 且且相互相互间间的的差别差别超过超过了了随随机机波动波动范围范围， 称称这这两个两个因素因素间间存在存在交交互互作用作用（interaction） 。 AB 的的交交互互效应效应=( A2B2-A2B1)-( A1B2-A1B1)/2 =( A2B2-A1B2)-( A2B1-A1B1)/2 A1 A2 A2-A1 B1 4 6 2 B2 8 10 2 B2-B1 4 4 4 6 8 10 A1A2B2B1 A1 A2 A2-A1 B1 4 6 2 B2 8 16 8 B2-B1 4 10 4 8 12 16 A1A2B2B1Synergistic effe

15、ct A1 A2 A2-A1 B1 8 12 4 B2 16 10 -6 B2-B1 8 -2 4 8 12 16 A1A2B2B1Antagonistic effect 表表阿阿霉霉素素 加氧加氧 - + A2-A1 - 0.185 0.185 0.000 + 0.283 0.985 0.703 0.088 0.800 为了研究超声引导下对肝肿瘤进行射频毁损的早期疗效。将为了研究超声引导下对肝肿瘤进行射频毁损的早期疗效。将16名肝癌患者随机分为两组，其中，采用射频治疗的患者名肝癌患者随机分为两组，其中，采用射频治疗的患者8名，名，采用常规化疗的患者采用常规化疗的患者8名，测量数字名，测量数字

16、CT片下肝肿瘤的直径片下肝肿瘤的直径（cm），见），见表表7。试探讨肝癌患者采用射频治疗前后肝肿瘤的变试探讨肝癌患者采用射频治疗前后肝肿瘤的变化趋势，与常规化疗相比，是否更为有效化趋势，与常规化疗相比，是否更为有效。案例案例5-1 重复测量设计重复测量设计/资料（资料（repeated measurement design /data） 数据特点是什么？数据特点是什么？1、时间不是随机因素、时间不是随机因素2、相关性、相关性3、差值方差不齐、差值方差不齐表74、数据的时间变化趋势不同、数据的时间变化趋势不同重复重复测量资料的测量资料的特点特点概念：概念：重复测量设计（repeated meas

17、urements design）是指针对同一对象某观察指标在不同时间点或不同场合时进行的多次测量。重复测量资料(repeated measurement data)：重复测量设计所获得的资料。主要特点：主要特点：（1）重复性（2）非随机性（3）非独立性 案例案例 5-2 l将14只家兔随机分配到A，B两种不同药物处理组中，观察实验前、5周及10周时点的血清胆固醇浓度（mg%,自然对数）。家兔号A药家兔号B药实验前5周后10周后实验前5周后10周后14.395.666.2784.034.324.2224.555.705.2894.644.234.1134.014.795.85104.254.604.2544.735.605.89114.375.004.6854.235.324.64123.813.904.2664.645.586.57134.514.534.4174.705.294.88144.524.214.19 SPSS 17.0演示演示 结果显示结果显示 案例案例10.00 20.00 40.00 60.00 80.00 100.00 120.00 140.00 160.00 180.00 200.00 对照组单纯照射组DCWD低剂量组DCWD高剂量组DNA含含量量（ug）图图1 DCWD 对小鼠股骨对小鼠股骨D