实验科研设计

1、实验研究设计实验研究设计 能够较好地控制非处理因素的影响，避免能够较好地控制非处理因素的影响，避免人为造成的偏倚，使比较组间具有均衡性和可人为造成的偏倚，使比较组间具有均衡性和可比性；比性；但小样本时，不能保证非处理因素在组间有但小样本时，不能保证非处理因素在组间有较好的均衡性和可比性。若所采用的处理对人较好的均衡性和可比性。若所采用的处理对人群有害或不利，随机分组会导致伦理学问题。群有害或不利，随机分组会导致伦理学问题。实验研究特点实验研究特点三要素：处理因素三要素：处理因素 受试对象受试对象 实验效应实验效应实验研究目的：实验研究目的：就是要阐明某种或某些处理因素就是要阐明某种或某些处理因

2、素对研究对象产生的效应。对研究对象产生的效应。如某降糖新药对如某降糖新药对IIII型糖尿病病人的降糖效果的研究，其三型糖尿病病人的降糖效果的研究，其三要素？要素？任何一项实验研究在进行设计时，应首先明确这三个要素，任何一项实验研究在进行设计时，应首先明确这三个要素，再根据它来制定详细的研究计划。再根据它来制定详细的研究计划。处理因素处理因素(study factor，treatment) 是指外部施加的因素，即研究者采用某种方法或手段对研究是指外部施加的因素，即研究者采用某种方法或手段对研究对象的处理。如药物、手术方法、染毒等。对象的处理。如药物、手术方法、染毒等。（1）抓住主要处理因素：抓住

3、主要处理因素：单因素、多因素、二水平、多水平等；单因素、多因素、二水平、多水平等；（2）区分处理与非处理因素：区分处理与非处理因素：非处理因素常常干扰了处理因素非处理因素常常干扰了处理因素与效应间关系的观察与分析。需结合专业、一定的经验来判断；与效应间关系的观察与分析。需结合专业、一定的经验来判断；（3）处理因素必须标准化：处理因素必须标准化：如强度、频率、持续时间和施加方如强度、频率、持续时间和施加方法等；临床上，药品的性质、成分、批号、保存方法等；手术法等；临床上，药品的性质、成分、批号、保存方法等；手术或操作的熟练程度等。或操作的熟练程度等。受试对象受试对象(study subjects

4、)对受试对象必须有严格的规定，即明确其纳入标准和排除标对受试对象必须有严格的规定，即明确其纳入标准和排除标准，以保证其同质性和代表性，使研究结果具有普遍性和推广价准，以保证其同质性和代表性，使研究结果具有普遍性和推广价值。值。选择受试对象应满足两个基本条件：一是对处理因素敏感；选择受试对象应满足两个基本条件：一是对处理因素敏感；二是反应必须稳定。二是反应必须稳定。动物实验：动物。动物实验：动物。应注意种类、品系、年龄、性别、体重、应注意种类、品系、年龄、性别、体重、窝别和营养状况等；窝别和营养状况等；临床试验：患者。临床试验：患者。明确诊断，依从性好明确诊断，依从性好 ；现场试验：正常人群。现

5、场试验：正常人群。明确同质范围。明确同质范围。实验效应实验效应(experimental effect) 处理因素作用于受试对象的结果，通过处理因素作用于受试对象的结果，通过观察指标观察指标表达。观表达。观察指标应客观、精确、灵敏、特异。察指标应客观、精确、灵敏、特异。客观性：客观性：主观指标和客观指标衡量。主观指标具有随意性和主观指标和客观指标衡量。主观指标具有随意性和偶然性；而客观指标具有较好的真实性和可靠性。应尽量选偶然性；而客观指标具有较好的真实性和可靠性。应尽量选用客观、定量的指标。用客观、定量的指标。精确性：精确性：准确度准确度(accuracy)或真实性（或真实性（validit

6、y）：观察值与真）：观察值与真值的接近程度，受系统误差的影响；值的接近程度，受系统误差的影响；精确度精确度(precision)或可靠或可靠性（性（reliabiliy）或重复性（）或重复性（repeatability）：重复观察时观察）：重复观察时观察值与其均值的接近程度，受随机误差的影响。值与其均值的接近程度，受随机误差的影响。特异性和灵敏性：特异性和灵敏性：特异度特异度（specificity）表示该指标能鉴别表示该指标能鉴别真阴性的能力，特异度高的指标最易揭示处理因素的作用，真阴性的能力，特异度高的指标最易揭示处理因素的作用，不易受混杂因素的干扰；不易受混杂因素的干扰；灵敏度灵敏度（s

7、ensitivity) 表示该指标检表示该指标检出真阳性的能力，灵敏度高的指标能将处理因素的效应更出真阳性的能力，灵敏度高的指标能将处理因素的效应更好地显示出来。好地显示出来。如研究某药治疗缺铁性贫血的效果，既可选用临床症状、如研究某药治疗缺铁性贫血的效果，既可选用临床症状、体征，也可选用血红蛋白含量等作为观察指标，但这些指体征，也可选用血红蛋白含量等作为观察指标，但这些指标均不够灵敏，只有在缺铁比较明显的情况下才有较大变标均不够灵敏，只有在缺铁比较明显的情况下才有较大变动。若选用血清铁蛋白作为观察指标，则可敏锐地反映出动。若选用血清铁蛋白作为观察指标，则可敏锐地反映出处理因素的效应。处理因素

8、的效应。效应观察偏倚：效应观察偏倚：主要针对临床试验设计。有时会出现主要针对临床试验设计。有时会出现实验效实验效应的观察带有偏性。如研究者往往关注阳性结果，医生常偏于应的观察带有偏性。如研究者往往关注阳性结果，医生常偏于新疗法组，而病人则对新疗法持怀疑态度等。新疗法组，而病人则对新疗法持怀疑态度等。采用采用盲法盲法(blind me- thod)设计可控制这种偏倚。设计可控制这种偏倚。单盲法单盲法(single blind method)：受试对象不知道自己分在哪一受试对象不知道自己分在哪一组；组；双盲法双盲法(double blind method)：受试对象和实验执行者均不知受试对象和实验

9、执行者均不知道受试对象分在哪一组；道受试对象分在哪一组；三盲法三盲法(triple blind method)：若受试对象、实验执行者和数若受试对象、实验执行者和数据采集或分析人员均不知道受试对象分在哪一组。据采集或分析人员均不知道受试对象分在哪一组。对照（对照（control）随机化（随机化（randomization）分组）分组重复（重复（replication） 对照的原则对照的原则 对照是实现均衡性的重要手段，是体现实验效应的关对照是实现均衡性的重要手段，是体现实验效应的关键所在。其作用在于：键所在。其作用在于：区分处理因素与非处理因素的效应。区分处理因素与非处理因素的效应。药物治疗药

10、物治疗例例: 老年性慢性支气管炎老年性慢性支气管炎气候转暖气候转暖,自然缓解自然缓解消除和减少实验误差。消除和减少实验误差。 对照的基本形式对照的基本形式空白对照空白对照(blank control)：对照组不加任何处理因素。对照组不加任何处理因素。 如：如：实验组儿童接种疫苗，对照组儿童不接种疫苗。实验组儿童接种疫苗，对照组儿童不接种疫苗。 试剂空白、血样空白、底物空白等。试剂空白、血样空白、底物空白等。 特点：特点：简单易行，但容易引起心理差异。简单易行，但容易引起心理差异。安慰剂对照安慰剂对照(placebo control)：对照组给予对照组给予一种无一种无药理作用的药理作用的“假药假

11、药”，其外观与试验药物一样，但它，其外观与试验药物一样，但它不含试验药物的有效成分。不含试验药物的有效成分。特点：特点：必须采用盲法设计，首先必须采用盲法设计，首先不能为受试对象所识不能为受试对象所识别别 。避免心理因素所形成的偏倚，起控制安慰作用。避免心理因素所形成的偏倚，起控制安慰作用。 实验对照实验对照(experimental control)：使对照组也同样使对照组也同样具备施加因素的作用。具备施加因素的作用。含含赖氨酸赖氨酸面包面包+非处理因素非处理因素赖氨酸赖氨酸效应效应 + 面包效应面包效应+非处理因素效应非处理因素效应 面包面包+非处理因素非处理因素 面包效应面包效应+非处理

12、因素效应非处理因素效应赖氨酸赖氨酸 赖氨酸赖氨酸效应效应 标准对照标准对照(standard control)：以现有的标准或正以现有的标准或正常值作对照。常值作对照。 如如某种新的方法能否代替传统方法的研究；某种新的方法能否代替传统方法的研究； 某病患者与正常人的某生理、生化指标是否相同。某病患者与正常人的某生理、生化指标是否相同。 实验室应用较多实验室应用较多 自身对照：自身对照：实验实验在同一受试对象上进行。在同一受试对象上进行。指同一指同一研究对象不同的时期或阶段作为对照。研究对象不同的时期或阶段作为对照。 特点：特点：简单易行，使用广泛。但若试验前后简单易行，使用广泛。但若试验前后某

13、些环境或自身因素发生改变，并且会影响试某些环境或自身因素发生改变，并且会影响试验结果，就难以说明问题。验结果，就难以说明问题。 相互对照相互对照 ：几个实验组互相对照几个实验组互相对照如比较如比较几种药物几种药物治疗同一疾病的疗效治疗同一疾病的疗效 历史历史对照对照：又称文献对照或回顾对照。以本又称文献对照或回顾对照。以本人或他人的过去研究资料与该次试验结果比较人或他人的过去研究资料与该次试验结果比较作为对照。作为对照。历史对照要特别注意比较材料的均衡性。一般历史对照要特别注意比较材料的均衡性。一般较少采用这种对照方法。较少采用这种对照方法。随机化分组的原则随机化分组的原则 使每个受试对象都有

14、同等的机会被抽取或分到不同的使每个受试对象都有同等的机会被抽取或分到不同的实验组和对照组。是进行统计推断的前提。实验组和对照组。是进行统计推断的前提。 目的是使目的是使各组非实验因素的条件均衡各组非实验因素的条件均衡一致，以消除对一致，以消除对实验结果的影响。实验结果的影响。 随机化在研究设计中是必须遵循的原则，根据不同资随机化在研究设计中是必须遵循的原则，根据不同资料的设计类型可分为几种不同的方法。料的设计类型可分为几种不同的方法。完全随机设计完全随机设计(completely random design)优点：优点：设计与统计分析简单。每组例数相等，也可不设计与统计分析简单。每组例数相等，

15、也可不相等。相等。缺点：缺点：要求样本含量相对较大，混杂因素在各组均衡要求样本含量相对较大，混杂因素在各组均衡性往往较差。性往往较差。又又称简单随机分组设计称简单随机分组设计(simple randomized design)。是将同质的受试对象（随机样本）随机地分配到各处是将同质的受试对象（随机样本）随机地分配到各处理水平组。是一种考察单因素两水平或多水平的实验设计理水平组。是一种考察单因素两水平或多水平的实验设计方案。方案。 随机化分组方法：随机化分组方法：直接对受试对象进行分组，即完全随机化。分组后各组直接对受试对象进行分组，即完全随机化。分组后各组受试对象的例数不一定相等。受试对象的例

16、数不一定相等。随机数字表随机数字表抽签抽签电脑随机数电脑随机数例如试将例如试将1010头动物应用随机数字表分配到甲、乙两组。头动物应用随机数字表分配到甲、乙两组。按动物体重编号按动物体重编号从随机数字表上查从随机数字表上查10个随机数个随机数规定双号为甲组，单号为乙组规定双号为甲组，单号为乙组动物编号动物编号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 随机数字随机数字 6 9 2 6 4 7 2 9 9 8 组组 别别 甲甲 乙乙 甲甲 甲甲 甲甲 乙乙 甲甲 乙乙 乙乙 甲甲 调整：再接着查一个调整：再接着查一个“6”以内的随机数，以决定甲以内的随机数，以决定甲组中哪一号拨到乙组。本例查得随

17、机数为组中哪一号拨到乙组。本例查得随机数为4，将甲组第，将甲组第4个（个（5号）调到乙组。号）调到乙组。 配对设计配对设计 (paired design)优点：优点：具有较好的均衡性，可减少误差，提高实验的具有较好的均衡性，可减少误差，提高实验的效率。样本量可少一些。效率。样本量可少一些。缺点：缺点：配对较困难，有时很难达到要求。配对较困难，有时很难达到要求。属于分层随机化属于分层随机化(stratified randomization) 。 即先对某一即先对某一可能的非处理因素进行分层，然后在每一层内进行完全随机可能的非处理因素进行分层，然后在每一层内进行完全随机化。由于配对只有二水平处理，

18、因此为配对随机化。如：化。由于配对只有二水平处理，因此为配对随机化。如：同源配对：同源配对：两个来源相同的受试对象两个来源相同的受试对象 ； 自身配对：试验前后比较等；自身配对：试验前后比较等；异体配对：同异体配对：同窝动物，病情相同、年龄相同的病人等。窝动物，病情相同、年龄相同的病人等。随机化分组方法：随机化分组方法：对子号对子号随机数字随机数字单双单双甲组甲组乙组乙组1-216双数双数213-493单数单数345-611单数单数567-814双数双数879-1007单数单数91019-2018双数双数2019随机区组设计随机区组设计(randomized block design)其优缺点

19、类似于配对设计。其优缺点类似于配对设计。 特点：特点：一个区组的实验对象应与试验因素水平数一个区组的实验对象应与试验因素水平数（处理组数）相同。（处理组数）相同。也属于分层随机化。由于是多水平处理，则可设计成为区组也属于分层随机化。由于是多水平处理，则可设计成为区组随机化。随机化。受试对象受试对象配成区组配成区组每个区组的每个区组的k个观察单位随机个观察单位随机分配到：分配到：A、B、C、D组中组中随机化分组方法随机化分组方法处理组处理组 配伍组配伍组 A B C D 1 4 3 2 5 6 8 7 10 9 12 11 16 14 13 15 交叉设计（交叉设计（cross-over des

20、ign）是一种特殊的自身对照设计。它是将同一批受试对象，随是一种特殊的自身对照设计。它是将同一批受试对象，随机地使半数受试对象先接受机地使半数受试对象先接受A处理，后接受处理，后接受B处理；另一半受处理；另一半受试对象先接受试对象先接受B处理，后接受处理，后接受A处理。处理。使处理因素使处理因素A和和B先后试验的机会均等，平衡了试验顺序先后试验的机会均等，平衡了试验顺序的影响。可分析处理因素的差别，处理顺序的差别及受试对的影响。可分析处理因素的差别，处理顺序的差别及受试对象间的差别。象间的差别。特点：特点：各种处理方式不能相互影响，即受试对象在接受第各种处理方式不能相互影响，即受试对象在接受第

21、二种处理时，不能有前一种处理的剩余效应。应具有二种处理时，不能有前一种处理的剩余效应。应具有清除阶清除阶段段(washout period) 。在医学研究中交叉设计多用于止痛、镇静、降压等药物或在医学研究中交叉设计多用于止痛、镇静、降压等药物或治疗方法间疗效的比较。治疗方法间疗效的比较。甲甲 乙乙随机数字随机数字单双单双A-BB-A1 222双数双数214 317单数单数437 510双数双数578 615单数单数869 1056双数双数109 随机化分组方法随机化分组方法 如如将将20例病人首先随机分成两组，然后用配对分组的方法例病人首先随机分成两组，然后用配对分组的方法进行分组，随机确定进

22、行分组，随机确定1010例先用例先用A后用后用B，另，另10例先例先用用B后用后用A。重复的原则重复的原则 重复重复(replication)：是指在相同实验条件下进行多次研究是指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。广义来讲，重或多次观察，以提高实验的可靠性和科学性。广义来讲，重复包括三种情形：复包括三种情形：1、整个实验的重复。它确保了实验的重现性。、整个实验的重复。它确保了实验的重现性。2、足够的受试对象。通过一定数量的重复，避免偶然性或、足够的受试对象。通过一定数量的重复，避免偶然性或巧合的现象当成必然的规律推广。巧合的现象当成必然的规律推广。3、同一受试

23、对象的重复观察。它保证了观察结果的精度。、同一受试对象的重复观察。它保证了观察结果的精度。样本含量不足样本含量不足，所得变量值不稳定，用以推断总体的精，所得变量值不稳定，用以推断总体的精确度差；检验效能（确度差；检验效能（Power，1）偏低，导致总体中本来）偏低，导致总体中本来具有的差异无法检验出来。具有的差异无法检验出来。无限地无限地增加样本含量增加样本含量，将加大实验规模，延长实验时间，将加大实验规模，延长实验时间，浪费人力物力，反而增加系统误差出现的可能性。浪费人力物力，反而增加系统误差出现的可能性。 一般意义上的重复一般意义上的重复：是指各处理组与对照组要有一定的：是指各处理组与对照

24、组要有一定的适度的样本含量适度的样本含量(sample sizes)。 动物试验动物试验，一般有数只或数十只动物即可。，一般有数只或数十只动物即可。 临床试验临床试验，每组一般要有，每组一般要有50100例方能满例方能满足要求。足要求。 计数指标计数指标，样本量要大些。，样本量要大些。 计量指标，计量指标，样本量可适当减少。样本量可适当减少。 样本含量的估计样本含量的估计经验估计：经验估计：四个主要因素四个主要因素： 、 1 、 、 第一类错误的概率第一类错误的概率 ，即检验水准。，即检验水准。 越小，所需样本含量越多。一般取越小，所需样本含量越多。一般取 =0.05，还应，还应明确单双侧。明

25、确单双侧。 一般在计算样本含量时，要求先做预试验，了解相关一般在计算样本含量时，要求先做预试验，了解相关指标的情况，然后再推算。指标的情况，然后再推算。利用公式或查表定量估计利用公式或查表定量估计检验效能检验效能1 。 为第二类错误的概率，为第二类错误的概率，1 表示在特定的表示在特定的 水准下，水准下，H1为真时，检验能正确发现的能力。为真时，检验能正确发现的能力。 1 越大，所需样本含量越多。通常取越大，所需样本含量越多。通常取 =0.1或或 0.2，一般一般1 不能低于不能低于0.75。总体变异度总体变异度 越大，所需样本含量越多。通常根据预实验、查阅文越大，所需样本含量越多。通常根据预

26、实验、查阅文献和专业知识判断献和专业知识判断 值。值。误差误差 或或 希望发现或需控制的样本和总体间、或样本间某统计量希望发现或需控制的样本和总体间、或样本间某统计量的差别大小。的差别大小。可用绝对误差，如可用绝对误差，如 =12、 =12等；也可等；也可用相对误差用相对误差，发，发 （12 ）/ 1等。等。若误差越小，所需样若误差越小，所需样本含量越多。可作预实验或用专业上有意义的差值代替。本含量越多。可作预实验或用专业上有意义的差值代替。 样本均数与总体均数的比较样本均数与总体均数的比较 （或配对设计、交叉设计）（或配对设计、交叉设计） 例，为了解高温作业工人的心率是否高于一般人群。某研例

27、，为了解高温作业工人的心率是否高于一般人群。某研究者随机抽取了究者随机抽取了10名高温作业工人作预试，测得其标准差名高温作业工人作预试，测得其标准差S=6.2次次/分。若高温作业工人的心率高于一般人群分。若高温作业工人的心率高于一般人群3.0次次/分才有分才有专业意义，问当专业意义，问当=0.05， =0.10时，需要多大样本含量？时，需要多大样本含量？故需故需37位高温作业工人，才有位高温作业工人，才有90%的的机率发现这类机率发现这类高温作业的特殊人群与一般人群脉搏的不同高温作业的特殊人群与一般人群脉搏的不同。两样本均数比较两样本均数比较例例 欲比较黄芪与生血散对粒欲比较黄芪与生血散对粒细胞减少症的疗效。据以往经细胞减少症的疗效。据以往经验，黄芪可平均增加粒细胞验，黄芪可平均增加粒细胞1 109个个/L，生血散可平均增加，生血散可平均增加粒细胞粒细胞2 109个个/L。若。若=1.8 109个个/L，取单尾取单尾0.05，检验效，检验效能为能为0.80，每组例数相等，问每，每组例数相等，问每组需要多少病例？若黄芪组样组需要多少病例？若黄芪组样本含量占整个样本含量的本含量占整个样本含量的60%，则每组又各需多少病例？则每组又各需多少病例？ 多个样本均数比较多个样本均数比较随机区组设计多个均数比较随机区组设计多个均数比较 样本率与总体率的比较样本率与总体率的比较 ( (大样