第八章实验设计

1、公共卫生学院公共卫生学院流行病与卫生统计学系流行病与卫生统计学系 医学研究若事先没有很好地进行安排，待研究医学研究若事先没有很好地进行安排，待研究结束后得到的数据可能并未反映客观实际规律，甚结束后得到的数据可能并未反映客观实际规律，甚至相互矛盾，这时无论采取什么统计方法进行统计至相互矛盾，这时无论采取什么统计方法进行统计分析也往往无济于事。分析也往往无济于事。 例如，某医师观察元参钩藤汤降血压的效果，例如，某医师观察元参钩藤汤降血压的效果，对对8080名高血压病患者进行试验，患者连服半月汤剂名高血压病患者进行试验，患者连服半月汤剂后查体，平均血压下降了后查体，平均血压下降了2.8KPa2.8K

2、Pa，如果就此认为元，如果就此认为元参钩藤汤有降压作用，显然是不能令人信服的，因参钩藤汤有降压作用，显然是不能令人信服的，因为已知血压这一指标受心理因素等多种条件影响，为已知血压这一指标受心理因素等多种条件影响，缺乏对比药物的观察，很难推断下降的缺乏对比药物的观察，很难推断下降的2.8KPa2.8KPa是由是由于该药的作用。于该药的作用。第八章 实 验 设 计 研究设计包括研究设计包括专业设计专业设计与与统计设计统计设计两个两个部分，其中部分，其中统计设计统计设计主要是依据研究目的，主要是依据研究目的，从研究的现况出发，规定研究因素，选择效从研究的现况出发，规定研究因素，选择效应指标，确定研究

3、对象的引入方式、方法和应指标，确定研究对象的引入方式、方法和规模，拟订实施的方法，以及数据收集、整规模，拟订实施的方法，以及数据收集、整理和分析的模式，直至结果的解释。通过合理和分析的模式，直至结果的解释。通过合理的、系统的安排，达到控制系统误差，以理的、系统的安排，达到控制系统误差，以消耗最少的人力、物力和时间，而获得可靠消耗最少的人力、物力和时间，而获得可靠的结论。的结论。第八章 实 验 设 计 在医学研究中，根据观察者是否主动施加干预在医学研究中，根据观察者是否主动施加干预而分为而分为实验研究实验研究与与调查研究调查研究两类。两类。实验研究实验研究是指研究者根据研究目的人为地对受试对象是

4、指研究者根据研究目的人为地对受试对象设置干预措施，控制非干预措施的影响，总结干预设置干预措施，控制非干预措施的影响，总结干预因素的效果。因素的效果。例如，观察哌库溴铵不同剂量的肌松效应，研究者选例如，观察哌库溴铵不同剂量的肌松效应，研究者选择了择了2020例择期手术患者，随机分为两组，第一组注例择期手术患者，随机分为两组，第一组注射射0.05mg/kg0.05mg/kg，第二组注射，第二组注射0.075mg/kg0.075mg/kg，记录起效时，记录起效时间。由于受试对象条件一致，很好的控制了不同疾间。由于受试对象条件一致，很好的控制了不同疾病对肌松效应的影响，然后分析实验结果，便能获病对肌松

5、效应的影响，然后分析实验结果，便能获得该药不同剂量的效果。得该药不同剂量的效果。第八章 实 验 设 计调查研究调查研究是指对特定对象群体进行调查，影响被调查是指对特定对象群体进行调查，影响被调查者的因素是客观存在的，研究者只能被动地观察和者的因素是客观存在的，研究者只能被动地观察和如实记录。调查时的研究条件往往难以控制，一般如实记录。调查时的研究条件往往难以控制，一般只有通过合理分组、设置对照等手段尽可能地减少只有通过合理分组、设置对照等手段尽可能地减少干扰。干扰。例如，研究某县高山、平原与丘陵例如，研究某县高山、平原与丘陵3类地区儿童血红蛋类地区儿童血红蛋白水平，已知血红蛋白与营养有一定关系

6、，因此白水平，已知血红蛋白与营养有一定关系，因此3个个人群按经济收入、饮食习惯分层、确定各层样本含人群按经济收入、饮食习惯分层、确定各层样本含量进行随机抽样，以达到减少营养状况对调查结果量进行随机抽样，以达到减少营养状况对调查结果干扰的目的。干扰的目的。第八章 实 验 设 计 实验设计的特点实验设计的特点 : :研究者能人为设置处理因素；研究者能人为设置处理因素；受试对象接受何种处理因素或水平是经随机分配而受试对象接受何种处理因素或水平是经随机分配而定的，能使非处理因素对不同处理组的影响保持均定的，能使非处理因素对不同处理组的影响保持均衡，组间具有可比性，可以客观评价处理因素的作衡，组间具有可

7、比性，可以客观评价处理因素的作用。用。实验研究设计能使多种实验因素包括在较少次数的实验研究设计能使多种实验因素包括在较少次数的实验中，更有效地控制误差，达到高效的目的。实验中，更有效地控制误差，达到高效的目的。 第八章 实 验 设 计处理因素、受试对象处理因素、受试对象和和实验效应实验效应是实验设计的三个基是实验设计的三个基本要素，它们贯穿于整个实验研究过程，从不同侧本要素，它们贯穿于整个实验研究过程，从不同侧面影响着实验研究的结果，在实验设计中必须予以面影响着实验研究的结果，在实验设计中必须予以足够重视。足够重视。例如，用两种药物治疗糖尿病病人，观察比较两组病例如，用两种药物治疗糖尿病病人，

8、观察比较两组病人血糖、尿糖的下降情况，这里所用的人血糖、尿糖的下降情况，这里所用的药物药物为处理为处理因素、糖尿病因素、糖尿病病人病人为受试对象，血糖为受试对象，血糖值值、尿糖值为、尿糖值为实验效应。实验效应。第一节 实验设计的基本要素 一、受试对象一、受试对象 受试对象选择的合适与否，也是一项实验是否成受试对象选择的合适与否，也是一项实验是否成功的关键。医学研究受试对象有人和动物和植物，功的关键。医学研究受试对象有人和动物和植物，也可以是某个器官、细胞和血清等生物材料。也可以是某个器官、细胞和血清等生物材料。实验可以分为三类：实验可以分为三类：动物实验动物实验(animal experime

9、nt),其其受试对象为动物；受试对象为动物；临床试验临床试验(clinical trial),其受试对其受试对象为患者；象为患者；现场试验现场试验(field trial),也称也称社区干预试验社区干预试验其受试对象为正常人群。其受试对象为正常人群。第一节 实验设计的基本要素 一、受试对象一、受试对象 一般先做动物实验后再做人体观察，如新药疗效一般先做动物实验后再做人体观察，如新药疗效的观察一般是先做动物实验，初步观察其疗效和副的观察一般是先做动物实验，初步观察其疗效和副作用后，再进一步在患者身上做临床试验，以确定作用后，再进一步在患者身上做临床试验，以确定其疗效和副作用。有些实验则可直接在人

10、体进行观其疗效和副作用。有些实验则可直接在人体进行观察，如生理、生化正常值的测定等。根据受试对象察，如生理、生化正常值的测定等。根据受试对象是动物还是人，选择受试对象应遵循以下基本原则。是动物还是人，选择受试对象应遵循以下基本原则。第一节 实验设计的基本要素 v在实验进行前必须对受试对象作严格的规定，以保在实验进行前必须对受试对象作严格的规定，以保证其同质性和代表性。证其同质性和代表性。v受试对象应满足两个基本条件：一是对处理因素敏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。感；二是反应必须稳定。 例如，研究某药物对高血压的治疗效果，宜选用例如，研究某药物对高血压的治疗效

11、果，宜选用期高血压患者作为研究对象。期高血压患者作为研究对象。v同时选择受试对象应明确纳入标准和排除标准。同时选择受试对象应明确纳入标准和排除标准。v动物的选择应注意其种类、品系、年龄、性别、体动物的选择应注意其种类、品系、年龄、性别、体重、窝别和营养状况等。重、窝别和营养状况等。第一节 实验设计的基本要素 v正常人群选择应注意其性别、年龄、民族、职业、正常人群选择应注意其性别、年龄、民族、职业、文化程度和经济状况等。文化程度和经济状况等。v病人选择应诊断明确、依从性好，还应注意性别、病人选择应诊断明确、依从性好，还应注意性别、年龄、病情和病程等的基本一致。年龄、病情和病程等的基本一致。第一节

12、 实验设计的基本要素 二、处理因素二、处理因素（treatment factortreatment factor） 在实验过程中，影响实验结果的因素是多方面在实验过程中，影响实验结果的因素是多方面的，根据研究目的可分为处理因素和非处理因素二的，根据研究目的可分为处理因素和非处理因素二类。类。处理因素处理因素是指研究者通过统计研究设计有计划是指研究者通过统计研究设计有计划的安排实验，从而科学地考察其作用大小的因素，的安排实验，从而科学地考察其作用大小的因素，例如药物的种类、剂量、浓度、作用时间等；例如药物的种类、剂量、浓度、作用时间等；非处非处理因素（混杂因素）理因素（混杂因素）是指对评价处理因

13、素作用有一是指对评价处理因素作用有一定干扰，但研究者并不想通过实验考察其作用大小定干扰，但研究者并不想通过实验考察其作用大小的因素，例如，病人的病情、病程等。的因素，例如，病人的病情、病程等。 第一节 实验设计的基本要素 依照实验因素和水平的不同，可产生四类实验：依照实验因素和水平的不同，可产生四类实验： 单因素单水平、单因素多水平、多因素单水平、单因素单水平、单因素多水平、多因素单水平、多因素多水平。多因素多水平。选择处理因素应遵循以下基本原则：选择处理因素应遵循以下基本原则： 1 1）要抓住实验中的主要因素要抓住实验中的主要因素 实验效应是多种因素作实验效应是多种因素作用的结果，由于研究目

14、的不同，以及人力、物力和用的结果，由于研究目的不同，以及人力、物力和时间所限，研究者不可能通过一次或几次实验中把时间所限，研究者不可能通过一次或几次实验中把已知的所有因素都进行处理与分析，只能抓主要的已知的所有因素都进行处理与分析，只能抓主要的因素，且因素的水平数不宜过多。因素，且因素的水平数不宜过多。 第一节 实验设计的基本要素 2 2）要分清处理因素和非处理因素要分清处理因素和非处理因素 例如，研究综合治疗糖尿病的效果，处理因素为药例如，研究综合治疗糖尿病的效果，处理因素为药物治疗加饮食疗法；合理调配作息时间和其它辅助物治疗加饮食疗法；合理调配作息时间和其它辅助治疗措施也能缓解症状，有助于

15、康复，但不是本次治疗措施也能缓解症状，有助于康复，但不是本次研究的处理因素，而是非处理因素。研究者应采取研究的处理因素，而是非处理因素。研究者应采取各种措施，尽可能使非处理因素在所比较的各组中各种措施，尽可能使非处理因素在所比较的各组中基本相同，以便充分显示处理因素的作用。基本相同，以便充分显示处理因素的作用。 第一节 实验设计的基本要素 3 3）处理因素必须标准化处理因素必须标准化 处理因素标准化就是如何保证处理因素在整个实验处理因素标准化就是如何保证处理因素在整个实验过程中始终如一，保持不变。如在进行药物疗效的过程中始终如一，保持不变。如在进行药物疗效的试验观察中，在整个试验过程中，所使用

16、药物的生试验观察中，在整个试验过程中，所使用药物的生产厂家、批号、药品标准等必须一致。所以，在实产厂家、批号、药品标准等必须一致。所以，在实验设计时，必须制定处理因素标准化的具体措施和验设计时，必须制定处理因素标准化的具体措施和方法。方法。 第一节 实验设计的基本要素 第一节 实验设计的基本要素 三、实验效应三、实验效应 实验效应是处理因素作用于受试对象的反应和实验效应是处理因素作用于受试对象的反应和结局，它通过观察指标，一般是通过某些观察指标，结局，它通过观察指标，一般是通过某些观察指标，定量或定性地反映实验效应。定量或定性地反映实验效应。 1）选择观察指标的基本原则）选择观察指标的基本原则

17、（1）客观性客观性 尽可能选择客观指标，避免一些笼统的、尽可能选择客观指标，避免一些笼统的、不确切的指标。有时，客观指标还具有判断的主观不确切的指标。有时，客观指标还具有判断的主观性问题，如性问题，如X线胸片是客观的，但判断时存在主观性线胸片是客观的，但判断时存在主观性问题，所以，对于这种情况，须制定明确的判断标问题，所以，对于这种情况，须制定明确的判断标准。准。 第一节 实验设计的基本要素 （2 2）精确性精确性 选用的指标应尽量精确。指标的精确性选用的指标应尽量精确。指标的精确性包括准确性和精确性，包括准确性和精确性，准确性准确性是指所观察结果的真是指所观察结果的真实程度，即观测值与真值的

18、接近程度，属系统误差；实程度，即观测值与真值的接近程度，属系统误差；精确性精确性是指所观察结果的深度，即重复观测时，观是指所观察结果的深度，即重复观测时，观测值与平均值的接近程度，属随机误差。实验效应测值与平均值的接近程度，属随机误差。实验效应指标既要准确又要精密，而首先是准确可靠。指标既要准确又要精密，而首先是准确可靠。 第一节 实验设计的基本要素 （3）灵敏性灵敏性 应尽量选择高灵敏性的指标，即选择能应尽量选择高灵敏性的指标，即选择能够显著提高灵敏性的仪器对观察指标进行测量。但够显著提高灵敏性的仪器对观察指标进行测量。但也要考虑实验经费问题，灵敏度高的仪器，往往费也要考虑实验经费问题，灵敏

19、度高的仪器，往往费用昂贵，应根据实验经费，选择既相对廉价，灵敏用昂贵，应根据实验经费，选择既相对廉价，灵敏度又高的测量方法。度又高的测量方法。 （4）特异性特异性 为了更好地揭示研究问题的本质，观察为了更好地揭示研究问题的本质，观察指标还应具备一定的特异性。例如，在诊断糖尿病指标还应具备一定的特异性。例如，在诊断糖尿病时，测定血糖的特异性就比测定尿糖的特异性要高。时，测定血糖的特异性就比测定尿糖的特异性要高。实验效应指标应当同时兼顾其灵敏性和特异性，尽量实验效应指标应当同时兼顾其灵敏性和特异性，尽量使灵敏性和特异性都高。使灵敏性和特异性都高。 第一节 实验设计的基本要素 2）指标的观察指标的观

20、察（1）对实验效应对实验效应的观察应避免偏倚的观察应避免偏倚 若实验效应的观若实验效应的观察代有偏性，则会影响结果的比较和分析。在设计察代有偏性，则会影响结果的比较和分析。在设计时常采用盲法时常采用盲法(blind method) 单盲法单盲法：不知道自己分在哪一组；不知道自己分在哪一组； 双盲法双盲法：和和均不知道受试对象均不知道受试对象分在哪一组；分在哪一组； 三盲法三盲法：、和和三三者均不知道受试对象分在哪一组。者均不知道受试对象分在哪一组。第二节 实验设计的基本原则 实验设计的主要作用就是减少误差，提高效率。因实验设计的主要作用就是减少误差，提高效率。因此在设计中，应当严格遵守对照、随

21、机、重复的基此在设计中，应当严格遵守对照、随机、重复的基本原则。本原则。 一、对照的原则一、对照的原则 1) 设立对照组的设立对照组的意义意义 在于使实验组和对照组内的非在于使实验组和对照组内的非处理因素基本一致，即均衡可比。对照的意义还可处理因素基本一致，即均衡可比。对照的意义还可以用以下符号表达：以用以下符号表达：果）果）（非处理因素影响的结（非处理因素影响的结（实验效应）（实验效应）（非处理因素）（非处理因素）（处理因素）（处理因素）seST 2）对照的）对照的基本形式基本形式对照的形式有多种，可根据研究目的和内容加以选择，对照的形式有多种，可根据研究目的和内容加以选择，常用的有下列几种

22、。常用的有下列几种。（1）安慰剂对照）安慰剂对照（placebo control) ) 其外观与试验药其外观与试验药物一致，它不含试验药物的有效成分，不能为受试物一致，它不含试验药物的有效成分，不能为受试对象所识别。对象所识别。目的：克服研究者、受试对象、评价者等由于心理因目的：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；还可消除疾病自然进程的影响，素所形成的偏倚；还可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，从而直接分离出由于试验药物所引起的真正反应，从而直接度量试验药物和安慰剂之间的不同。度量试验药物和安慰剂之间的不同。第二节 实验设计的基本原则 （2 2）空

23、白对照）空白对照( (blank control) ) 对照组不施加任何处理对照组不施加任何处理因素。因素。例如，观察某种疫苗预防肾综合征出血热的例如，观察某种疫苗预防肾综合征出血热的效果，选择人口数量和构成、发病水平、地理环境、效果，选择人口数量和构成、发病水平、地理环境、主要宿主鼠类基本相似的两个疫区，一个作为试验主要宿主鼠类基本相似的两个疫区，一个作为试验区，在人群中接种疫苗，另一个作为对照区，不施区，在人群中接种疫苗，另一个作为对照区，不施加任何干预措施，处理因素完全空白。这种对照只加任何干预措施，处理因素完全空白。这种对照只有在处理因素很强，非处理因素很弱的情况下才能有在处理因素很强

24、，非处理因素很弱的情况下才能使用。在临床试验中，一般不用空白对照。使用。在临床试验中，一般不用空白对照。 第二节 实验设计的基本原则 第二节 实验设计的基本原则 （3 3）实验对照）实验对照( (experimental control) ) 对照组不施加处理因对照组不施加处理因素，但施加某种实验因素。素，但施加某种实验因素。如观察赖氨酸对儿童发育的影响，如观察赖氨酸对儿童发育的影响，实验组儿童课间加食含赖氨酸的面包，对照组儿童课间加食实验组儿童课间加食含赖氨酸的面包，对照组儿童课间加食不含赖氨酸的面包。处理因素是赖氨酸，非处理因素的面包不含赖氨酸的面包。处理因素是赖氨酸，非处理因素的面包量两

25、组是相同的。量两组是相同的。（4 4）标准对照）标准对照( (standard control) ) 不设立专门的对照组，不设立专门的对照组，而是用现有标准值或正常值做对照。而是用现有标准值或正常值做对照。在临床试验中常以某疗在临床试验中常以某疗法为标准对照组，这种对照应注意标准组必须是代表当时水法为标准对照组，这种对照应注意标准组必须是代表当时水平的疗法，切不可用降低标准组的方法使实验效应提高。但平的疗法，切不可用降低标准组的方法使实验效应提高。但实验研究一般不用标准对照，因为实验条件不一致，常常影实验研究一般不用标准对照，因为实验条件不一致，常常影响对比效果。响对比效果。 第二节 实验设计

26、的基本原则 （5 5）自身对照）自身对照(self control) 对照与实验在同一受试者对照与实验在同一受试者身上进行，身上进行，如用药前后作为对比。一般情况下还要如用药前后作为对比。一般情况下还要求设立平行对照组。求设立平行对照组。（6 6）相互对照）相互对照 这种对照不设立对照组，而是两个或这种对照不设立对照组，而是两个或几个试验组相互对照。几个试验组相互对照。例如用莫雷西嗪治疗冠心病、例如用莫雷西嗪治疗冠心病、高血压、心肌病和失调症引起的室性早搏时，设立高血压、心肌病和失调症引起的室性早搏时，设立冠心病组、高血压组、心肌病组和失调症组四个治冠心病组、高血压组、心肌病组和失调症组四个治

27、疗组，相互比较它们的疗效。疗组，相互比较它们的疗效。 第二节 实验设计的基本原则 （7 7）配对对照）配对对照(paired control) 把研究对象条件相同的把研究对象条件相同的两个配成一对，分别给以不同的处理因素，对比两两个配成一对，分别给以不同的处理因素，对比两者之间的不同效应。者之间的不同效应。配对对照常用于动物实验，临配对对照常用于动物实验，临床试验也可采用，但严格地说，很难找到相同或十床试验也可采用，但严格地说，很难找到相同或十分相似的对子。分相似的对子。（8 8）历史对照）历史对照( (historical control) ) 以本人过去的研究或以本人过去的研究或他人研究结

28、果与本次研究结果做对照。他人研究结果与本次研究结果做对照。除了非处理除了非处理因素影响较小的少数疾病外，一般不宜使用这种对因素影响较小的少数疾病外，一般不宜使用这种对照。用时要特别注意资料的可比性。照。用时要特别注意资料的可比性。 第二节 实验设计的基本原则 二、随机的原则二、随机的原则1）随机的）随机的意义意义 所谓随机，就是每一个受试对象都有同等的机会被所谓随机，就是每一个受试对象都有同等的机会被分配到任何一个组中去，分组的结果不受人为因素分配到任何一个组中去，分组的结果不受人为因素的干扰和影响。实验设计中必须贯彻随机化原则，的干扰和影响。实验设计中必须贯彻随机化原则，因为在实验过程中许多

29、非处理因素在设计时研究者因为在实验过程中许多非处理因素在设计时研究者并不完全知道，必须采用随机化的办法抵消这些干并不完全知道，必须采用随机化的办法抵消这些干扰因素的影响。扰因素的影响。 第二节 实验设计的基本原则 (1)抽样的随机：抽样的随机：每个符合条件的受试对象被抽取的机每个符合条件的受试对象被抽取的机会相等，即总体中每个个体都有相同机会被抽到样会相等，即总体中每个个体都有相同机会被抽到样本中来。它保证所得样本均有代表性。本中来。它保证所得样本均有代表性。(2)分组的随机：分组的随机：每个受试对象被分配到各组的机会相每个受试对象被分配到各组的机会相等。它保证受试对象的其他状况在对比组间尽可

30、能等。它保证受试对象的其他状况在对比组间尽可能均衡，以提高组间的可比性。均衡，以提高组间的可比性。(3)实验顺序的随机：实验顺序的随机：每个受试对象先后接受处理的机每个受试对象先后接受处理的机会相等，它使实验顺序的影响也达到均衡。会相等，它使实验顺序的影响也达到均衡。第二节 实验设计的基本原则 2）随机化的）随机化的方法方法：如最简单的是抽签或掷硬币，以及：如最简单的是抽签或掷硬币，以及随机数（随机数字表和计算机的伪随机数发生器）。随机数（随机数字表和计算机的伪随机数发生器）。常用的两种随机化方法：完全随机化和分层随机化。常用的两种随机化方法：完全随机化和分层随机化。完全随机化：直接对受试对象

31、进行随机化分组，但完全随机化：直接对受试对象进行随机化分组，但分组后各组受试对象的例数不一定相同。分组后各组受试对象的例数不一定相同。（1）编号）编号（2）取随机数）取随机数（3）确定组别：）确定组别：两组两组可按随机数的奇偶；可按随机数的奇偶；分分K组组可按可按随机数除以随机数除以k后的余数进行分组。后的余数进行分组。第二节 实验设计的基本原则 例例8-1 试将同性别、体重相近的试将同性别、体重相近的30只动物分到只动物分到A、B、C三组。三组。编号编号123456789101112131415随机数随机数885653275933357267477734554570除除3取余取余122020

32、201221101分组分组BCCACACABCCBBAB编号编号161718192021222324252627282930随机数随机数081827389016958670750972958429除除3取余取余200201221000202分组分组CAACABCCBAAACAC30只动物完全随机分组的结果只动物完全随机分组的结果第二节 实验设计的基本原则 分层随机化分层随机化 先对可能影响实验过程和结果的混杂因先对可能影响实验过程和结果的混杂因素进行分层，然后在每一层内进行完全随机化，即素进行分层，然后在每一层内进行完全随机化，即进行分层随机化。进行分层随机化。配对随机化和区组随机化可看成配对

33、随机化和区组随机化可看成是分层随机化的实际应用。是分层随机化的实际应用。（1）编号排序）编号排序 （体重、时间）（体重、时间）（2）取随机数）取随机数 每个受试对象可取两位数每个受试对象可取两位数（3）确定组别）确定组别 每层受试对象获得的随机数的大小顺每层受试对象获得的随机数的大小顺序决定受试对象在哪一组。序决定受试对象在哪一组。第二节 实验设计的基本原则 例例8-2 为比较四种抗癌药物（为比较四种抗癌药物（A,B,C,D）的疗效，将小）的疗效，将小白鼠体重作为分层或区组因素，试分配处理。白鼠体重作为分层或区组因素，试分配处理。分层分层随机数随机数随机数序号随机数序号随机排列结果随机排列结果

34、鼠鼠1鼠鼠2鼠鼠3鼠鼠4鼠鼠1鼠鼠2鼠鼠3鼠鼠4鼠鼠1鼠鼠2鼠鼠3鼠鼠41814677614132DACB2083974002341BCDA3992472484132DACBb337215992314BCAD小白鼠区组随机化的结果小白鼠区组随机化的结果第二节 实验设计的基本原则 三、重复原则三、重复原则所谓重复，就是实验要有足够的样本含量。重复是消所谓重复，就是实验要有足够的样本含量。重复是消除非处理因素影响的又一重要手段。重复是指在相除非处理因素影响的又一重要手段。重复是指在相同实验的条件下进行多次研究或多次观察，以提高同实验的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。实验的

35、可靠性和科学性。（1）整个实验的重复：反映实验的）整个实验的重复：反映实验的重现性重现性，从而提高，从而提高实验的可靠性。实验的可靠性。（2）用多个受试对象进行重复：要有足够的）用多个受试对象进行重复：要有足够的样本含量样本含量。（3）同一受试对象的重复观察：保证观察结果的）同一受试对象的重复观察：保证观察结果的精度精度。重复的主要作用是估计实重复的主要作用是估计实验误差，另一作用是降低验误差，另一作用是降低实验误差。实验误差。第三节 常用的实验设计方案一、完全随机设计一、完全随机设计（completely randomized design）又称简单随机分组设计又称简单随机分组设计(simp

36、le randomized design),是是最为常用的考察单因素两水平或多水平的实验设计最为常用的考察单因素两水平或多水平的实验设计方法。包括平衡设计（各组样本含量相等），和非方法。包括平衡设计（各组样本含量相等），和非平衡设计（各组样本含量不等）。平衡设计（各组样本含量不等）。优点：优点：设计简单，易于实施，出现缺失数据时仍可进设计简单，易于实施，出现缺失数据时仍可进行统计分析。行统计分析。缺点：缺点：小样本时，可能均衡性较差，抽样误差大。小样本时，可能均衡性较差，抽样误差大。第三节 常用的实验设计方案 例例8-3 8-3 按完全随机设计方法将按完全随机设计方法将1515名患者随机分为甲

37、、名患者随机分为甲、乙、丙三组。乙、丙三组。 先按患者的就诊顺序编号；再从随机数字表中任意先按患者的就诊顺序编号；再从随机数字表中任意指定某行某列，如从第指定某行某列，如从第6 6行行2929列开始列开始, ,向右录入向右录入1515个个两位数的随机数字，并依次列于各患者编号之下；两位数的随机数字，并依次列于各患者编号之下；最后将随机数字从小到大编秩后得序号最后将随机数字从小到大编秩后得序号R R，并规定，并规定R R：1 15 5者为甲组，者为甲组， 6 61010者为乙组，者为乙组，11111515者为丙组。者为丙组。结果如下：结果如下： 注意：注意：随机数字的位数不应小于随机数字的位数不

38、应小于n n的位数，遇有相同的位数，遇有相同的随机数字应舍去。的随机数字应舍去。如果设计上需要各组例数不如果设计上需要各组例数不相等时，可利用相等时，可利用R R调整各组例数。如调整各组例数。如, , 若要求例若要求例8-38-3中甲组中甲组8 8例、乙组例、乙组4 4例、丙组例、丙组3 3例时，可规定例时，可规定R R：1 18 8者为甲组，者为甲组， 9 91212者为乙组，者为乙组， 13131515者为丙组。者为丙组。患者编号患者编号123456789101112131415随机数字随机数字884534284491207936317018688558序序 号号 /p>

39、6411110139处理组别处理组别丙丙乙乙甲甲甲甲乙乙丙丙甲甲丙丙乙乙甲甲丙丙甲甲乙乙丙丙乙乙第三节 常用的实验设计方案二、配对设计二、配对设计（paired design）是将受试对象按一定条件配成对子，再将每对中的两是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。个受试对象随机分配到不同处理组。配对设计主要有以下形式：配对设计主要有以下形式：（1）将两个条件相同或相近的受试对象配成对子（含）将两个条件相同或相近的受试对象配成对子（含同一个体的两对器官或组织），分别接受两种不同同一个体的两对器官或组织），分别接受两种不同的处理。的处理。（2）同一受试对象（人或

40、标本）分别接受两种不同的）同一受试对象（人或标本）分别接受两种不同的处理。处理。（3）前后配对，即同一受试对象接受一种处理的前后。）前后配对，即同一受试对象接受一种处理的前后。第三节 常用的实验设计方案二、配对设计（二、配对设计（paired design）优点：优点：抽样误差较小，实验效率较高、所需样本含量抽样误差较小，实验效率较高、所需样本含量也较小也较小缺点：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。欠佳时，反而会降低效率。第三节 常用的实验设计方案例例8-4 8-4 试将已配成试将已配成1010对的对的2020名受试者

41、随机分配到甲、名受试者随机分配到甲、乙两处理组。乙两处理组。先将受试者编号，如第一对受试者编号为先将受试者编号，如第一对受试者编号为1.11.1，第二受，第二受试者编号为试者编号为1.21.2，余仿此。再从随机排列表中随机指，余仿此。再从随机排列表中随机指定某行，例如第定某行，例如第6 6行，依次将行，依次将0 09 9之间的随机数字录之间的随机数字录于受试者编号下，舍去于受试者编号下，舍去10101919之间的数字，并规定之间的数字，并规定随机数字为奇数时取随机数字为奇数时取甲乙甲乙顺序，偶数时取顺序，偶数时取乙甲乙甲顺序。顺序。 第三节 常用的实验设计方案结果：结果：1.21.2、2.22

42、.2、3.13.1、4.14.1、5.15.1、6.26.2、7.17.1、8.28.2、9.19.1、10.1 10.1 号受试者被分配到甲组，号受试者被分配到甲组， 1.11.1、2.12.1、3.23.2、4.24.2、5.25.2、6.16.1、7.27.2、8.18.1、9.29.2、10.2 10.2 号受试者被分配到乙组。号受试者被分配到乙组。 受试者号受试者号1.11.22.12.23.13.24.14.25.15.26.16.27.17.28.18.29.19.210.110.2随机数字随机数字2811309675处处 理理乙乙甲甲乙乙甲甲甲甲乙乙甲甲乙乙甲甲乙乙乙乙甲甲甲甲

43、乙乙乙乙甲甲甲甲乙乙甲甲乙乙第三节 常用的实验设计方案三、交叉设计三、交叉设计（cross-over designcross-over design）：是在自身配对）：是在自身配对设计基础上发展起来的。该设计考虑了一个处理因设计基础上发展起来的。该设计考虑了一个处理因素（素（A A、B B两水平），两个与处理因素无交互作用的两水平），两个与处理因素无交互作用的非处理因素（试验阶段和受试对象）对试验结果的非处理因素（试验阶段和受试对象）对试验结果的影响。影响。 第三节 常用的实验设计方案v设计：设计： 首先将条件相近的观察对象配对并依次编号（如首先将条件相近的观察对象配对并依次编号（如1.11.

44、1，1.21.2；2.12.1，2.22.2；3.13.1，3.23.2；或或1,21,2；3,43,4；5,65,6；），再用随机），再用随机的方法将各对观察对象分配到的方法将各对观察对象分配到A A、B B两组；其中一个观察对象两组；其中一个观察对象在第在第阶段接受阶段接受A A处理，第处理，第阶段接受阶段接受B B处理；另一个观察对处理；另一个观察对象在第象在第阶段接受阶段接受B B处理，第处理，第阶段接受阶段接受A A处理。因而要求观处理。因而要求观察对象的例数为偶数。察对象的例数为偶数。由于由于A A、B B两种处理在全部试验过程中两种处理在全部试验过程中“交叉交叉”进行，故称为交进

45、行，故称为交叉试验设计。该设计中叉试验设计。该设计中A A、B B处理方式处于先后两个试验阶段处理方式处于先后两个试验阶段的机会是均等的，因而平衡了试验顺序的影响；能把处理方的机会是均等的，因而平衡了试验顺序的影响；能把处理方法之间的差别与时间先后之间的差别分开来分析。法之间的差别与时间先后之间的差别分开来分析。 第三节 常用的实验设计方案例例13.1813.18 某研究者在针刺麻醉研究中，欲通过某研究者在针刺麻醉研究中，欲通过1212只大只大白鼠研究白鼠研究A A、B B两种参数电针刺激后痛域值上升情况，两种参数电针刺激后痛域值上升情况，同时还考虑了个体差异与同时还考虑了个体差异与A A、B

46、 B顺序对痛域值的影响。顺序对痛域值的影响。根据此研究目的，用何种实验设计方法为宜，并作根据此研究目的，用何种实验设计方法为宜，并作分组设计。分组设计。根据研究者的研究目的，该试验宜用交叉设计，其分根据研究者的研究目的，该试验宜用交叉设计，其分组设计如下：组设计如下： 第三节 常用的实验设计方案先将先将1212只大白鼠按条件相近者配对并依次编号只大白鼠按条件相近者配对并依次编号（1.1,1.21.1,1.2；2.1,2.22.1,2.2；3.1,3.23.1,3.2；或或1,21,2；3,43,4；5,65,6；），再任意指定随机数字表中的任一行），再任意指定随机数字表中的任一行（如第（如第6

47、 6行），并规定随机数字为行），并规定随机数字为奇数奇数时，对子中的时，对子中的单号观察单位先用单号观察单位先用A A后用后用B B，双号观察单位先用，双号观察单位先用B B后用后用A A；随机数字为；随机数字为偶数偶数时，对子中的单号观察单位先用时，对子中的单号观察单位先用B B后用后用A A，双号观察单位先用，双号观察单位先用A A后用后用B B。 第三节 常用的实验设计方案v优点优点： （1 1）具备自身配对的全部优点，如减少个体差异对处理因素的）具备自身配对的全部优点，如减少个体差异对处理因素的影响，节省样本含量等；影响，节省样本含量等； （2 2）能控制时间因素（试验阶段）对处理方式

48、的影响，因而优）能控制时间因素（试验阶段）对处理方式的影响，因而优于自身对照设计；于自身对照设计；（3 3）各试验对象皆接受了试验因素和对照，符合医德要求。）各试验对象皆接受了试验因素和对照，符合医德要求。 大白鼠号大白鼠号 1 23 45 67 89 1011 12随机数字随机数字932253643907用药顺序用药顺序AB BABA ABAB BABA ABAB BA AB BA第三节 常用的实验设计方案v适用条件及应注意的问题：适用条件及应注意的问题：（1 1）处理因素只有）处理因素只有2 2水平（水平（A A、B B），且两个非处理因素（试验），且两个非处理因素（试验阶段、受试对象）与

49、处理因素间无交互作用。阶段、受试对象）与处理因素间无交互作用。（2 2）试验要求两个阶段之间必须安排一定的间隔时间，以便消）试验要求两个阶段之间必须安排一定的间隔时间，以便消除前阶段治疗措施的残留效应（除前阶段治疗措施的残留效应（carryover effectcarryover effect），保），保证两阶段的起始条件一致。间隔时间的长短决定于药物从体证两阶段的起始条件一致。间隔时间的长短决定于药物从体内的排除时间内的排除时间(washout time)(washout time)。可参照药典或预试验中药物。可参照药典或预试验中药物在血清中的衰减速度，决定其间隔时间；在血清中的衰减速度，决

50、定其间隔时间；（3 3）两次观察的时间不能过长，处理效应不能持续过久；）两次观察的时间不能过长，处理效应不能持续过久；（4 4）适用于病情较稳定、病程可以分阶段、短期治疗可见疗效）适用于病情较稳定、病程可以分阶段、短期治疗可见疗效的疾病；的疾病；（5 5）为消除患者的心理作用或防止研究者的暗示，一般多采用）为消除患者的心理作用或防止研究者的暗示，一般多采用盲法。盲法。 第三节 常用的实验设计方案四、随机区组设计四、随机区组设计（randomized block designrandomized block design）随机区组设计亦称配伍组设计，是配对试验的扩大。随机区组设计亦称配伍组设计，

51、是配对试验的扩大。该设计是将受试对象先按配比条件该设计是将受试对象先按配比条件（如动物的性别、（如动物的性别、体重，病人的病情、性别、年龄等非实验因素）体重，病人的病情、性别、年龄等非实验因素）配配成成b b个个配伍组，每个配伍组有配伍组，每个配伍组有k k个个受试对象，再按随受试对象，再按随机化原则分别将各配伍组中的受试对象、分配到各机化原则分别将各配伍组中的受试对象、分配到各个处理组。个处理组。例题见例例题见例8-2 8-2 第三节 常用的实验设计方案v优点优点：该类设计是按配比条件将受试对象配成对该类设计是按配比条件将受试对象配成对子或配伍组，从而排除了诸多非处理因素对实验的子或配伍组，

52、从而排除了诸多非处理因素对实验的影响，保证了各组间的可比性，减少了抽样误差；影响，保证了各组间的可比性，减少了抽样误差； 该类设计增加了区组信息，可以减少样本含量，该类设计增加了区组信息，可以减少样本含量，提高统计效率。提高统计效率。v缺点缺点：由于受配对或配伍条件的限制，有时难以由于受配对或配伍条件的限制，有时难以将受试对象配成对子或配伍组，从而损失部分受试将受试对象配成对子或配伍组，从而损失部分受试对象的信息；对象的信息；即使区组内有一个受试对象发生意即使区组内有一个受试对象发生意外，也会使统计分析较麻烦；外，也会使统计分析较麻烦；自身配对时，自身配对时，2种处种处理施加于受试对象的顺序效

53、应会混杂在实验效应中。理施加于受试对象的顺序效应会混杂在实验效应中。要避免这一情况，可采用交叉设计。要避免这一情况，可采用交叉设计。 第三节 常用的实验设计方案五、析因设计五、析因设计（factorial experimental designfactorial experimental design）：）：是一种将两个或多个因素的各水平进行组合，对各是一种将两个或多个因素的各水平进行组合，对各种可能的组合都进行实验，从而探讨各实验因素的种可能的组合都进行实验，从而探讨各实验因素的主效应主效应(main effect)(main effect)，还可检验两个或多个因素间，还可检验两个或多个因素

54、间是否存在是否存在交互作用交互作用（interactioninteraction）。）。 若因素间存在交互作用，表示各因素不是独立若因素间存在交互作用，表示各因素不是独立的，一个因素的水平发生变化，会影响其它因素的的，一个因素的水平发生变化，会影响其它因素的实验效应；反之，若因素间不存在交互作用，表示实验效应；反之，若因素间不存在交互作用，表示各因素是独立的，任一因素的水平发生变化，不会各因素是独立的，任一因素的水平发生变化，不会影响其它因素的实验效应。影响其它因素的实验效应。 第三节 常用的实验设计方案 该设计是通过各因素不同水平间的交叉分组进行组该设计是通过各因素不同水平间的交叉分组进行组

55、合的。因此，总的实验组数等于各因素水平数的乘合的。因此，总的实验组数等于各因素水平数的乘积。积。例如，两个因素各有例如，两个因素各有3 3个水平时，实验组数为个水平时，实验组数为3 32 2=9=9；四个因素各有；四个因素各有2 2个水平时，实验组数为个水平时，实验组数为2 24 4=16=16。所以，应用析因实验设计时，分析的因素数和各因所以，应用析因实验设计时，分析的因素数和各因素的水平数不宜过多。一般因素数不超过素的水平数不宜过多。一般因素数不超过4 4，水平数，水平数不超过不超过3 3。 k 个实验因素，每个因素均有个实验因素，每个因素均有m个水平的析因设计常个水平的析因设计常用符号用

56、符号mk表示。表示。第三节 常用的实验设计方案2 22 2析因设计是指有两个因素，每个因素各有两个水析因设计是指有两个因素，每个因素各有两个水平，共有平，共有4 4个组合。设个组合。设A A1 1代表代表A A因素因素1 1水平，水平，A A2 2代表代表A A因因素素2 2水平；设水平；设B B1 1代表代表B B因素因素1 1水平，水平，B B2 2代表代表B B因素因素2 2水平，水平，交叉组合后的交叉组合后的2 22 2析因设计模型如下：析因设计模型如下： 2 22 2析因实验设计模型析因实验设计模型 处理因素处理因素A处理因素处理因素BB B1 1B B2 2A A1 1A A1 1

57、B B1 1A A1 1B B2 2A A2 2A A2 2B B1 1A A2 2B B2 2第三节 常用的实验设计方案例例13.2013.20 某医师欲研究某医师欲研究A A、B B两药是否有治疗缺铁性贫两药是否有治疗缺铁性贫血的作用，以及两药间是否存在交互作用。用何试血的作用，以及两药间是否存在交互作用。用何试验设计可达到研究者的研究目的，并做出设计分组。验设计可达到研究者的研究目的，并做出设计分组。 第三节 常用的实验设计方案该研究的目的是既要分析该研究的目的是既要分析A A、B B两药是否有治疗缺铁性两药是否有治疗缺铁性贫血的作用，又要分析两药间有无交互作用，可用贫血的作用，又要分析

58、两药间有无交互作用，可用析因实验设计。根据研究目的，设析因实验设计。根据研究目的，设A A、B B两药皆有两药皆有“用用”与与“不用不用”两个水平，符合两个水平，符合2 22 2析因实验设析因实验设计。用计。用A A1 1、A A2 2和和B B1 1、B B2 2分别表示分别表示“用用”与与“不用不用”A A药药和和B B药；按药；按2 22 2析因设计有析因设计有4 4个实验组，分别为个实验组，分别为A A1 1B B1 1、A A1 1B B2 2、A A2 2B B1 1和和A A2 2B B2 2。考虑到。考虑到A A2 2B B2 2是空白对照组，应加是空白对照组，应加“一般疗法一

59、般疗法”，为保证各实验组的均衡性，其它组，为保证各实验组的均衡性，其它组也应加也应加“一般疗法一般疗法”，设计分组如下：，设计分组如下： 第三节 常用的实验设计方案第一组（第一组（A A1 1B B1 1）：）：A A药药 + B+ B药药 + + 一般疗法一般疗法第二组（第二组（A A1 1B B2 2）：）：A A药药 + + 一般疗法一般疗法第三组（第三组（A A2 2B B1 1）：）：B B药药 + + 一般疗法一般疗法第四组（第四组（A A2 2B B2 2）：一般疗法）：一般疗法v优点优点：是一种高效率的实验设计方法，不仅能够分：是一种高效率的实验设计方法，不仅能够分析各因素内部

60、不同水平间有无差别，还具有分析各析各因素内部不同水平间有无差别，还具有分析各种组合的交互作用的功能。种组合的交互作用的功能。v缺点缺点：与正交试验设计相比，属全面试验。因此，：与正交试验设计相比，属全面试验。因此，研究的因素数与水平数不宜过多。研究的因素数与水平数不宜过多。第四节 样本含量的估计一、样本含量估计的意义一、样本含量估计的意义 样本含量估计充分反映了样本含量估计充分反映了“重复重复”的基本原则，过的基本原则，过小过大都有其弊端。小过大都有其弊端。 样本含量过小，所得指标不稳定，用以推断总体的样本含量过小，所得指标不稳定，用以推断总体的精密度和准确度差；检验的功效低，应有的差别不精密