实验设计方法610的知识

1、实验设计方法 1.依因素数量选择设计方法：按因素分为：单因素：完全随机，配对设计，序贯设计两因素：配伍组(随机区组设计)，均衡不完全配伍设计，配对设计，两层次分组设计。三因素：拉丁方设计，尧敦方设计,裂区设计多因素：析因设计，正交设计，均方设计。统计学设计方法的选择例如：单纯比较三个不同药物(三个处理)的降压效应只需回答处理间(组间)差异有无统计意义，这就属单因素实验；还需考核五种不同类型高血压对降压的影响，则需回答的问题有两个，即属于两因素实验；如果除回答前两个问题外，还需考核三个不同年龄段对降压的影响，那么需回答的问题有三个，就属于三因素实验。至于组间有差异，若需了解哪(个或些)两两之间差

2、异有无统计意义，则需作统计学次级分析，这不作为因素考虑。 2.依组数选择设计方法 单组比较试验：可用自身前后配对设计、自身左右配对设计和序贯设计。两组比较试验：称简单比较试验。在具备配对条件下，一般采用异体配对设计或序贯设计；若受试对象较少时，可采用交叉(配对)设计。两组试验如不具备配对条件，若设计时确定样本含量(n)，则用完全随机设计；若不事先确定n，可用序贯设计。两组试验的实验设计方法选择(图1) 多组试验：应当考虑配伍条件、区组样本量、因素数量、交互作用等方面，选择适宜的实验设计方法。(图2) 3.多因素多水平研究的设计方法选择：多因素、多水平研究不仅要回答因素的主次，而且要回答交互作用

3、与最佳组合。多因素的设计方法:析因设计、正交设计与均匀设计三种。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、多水平试验。正交设计是全面考虑，部分实施，工作量小于析因设计，故一般多因素水平研究常用这种设计。均匀设计是均匀散布，代表性强，工作量还少于正交设计，但统计分析比较复杂，适用于水平数大于4的多因素多水平研究。多因素多水平试验的设计方法选择(图3) 图1：两组试验设计的选择配对条件具备足够样本量 确定样本数确定样本数 交叉设计完全随机设计 序贯设计异体配 序贯 对设计 设计NNNNYYYY图2：多组试验设计方法的选择配伍条件具备每区组样本每因素实验组 划分层次 因素数量

4、 因素数量层次分 完全随组设计 机设计配伍组 了解 均衡不完全设计 互交 配伍组设计 NNNN3YYY尧敦方设计分层研究 拉丁方设计裂区设计 析因设计YYN232图3：多因素多水平实验设计选择因素数3水平数2水平数4均匀设计正交设计或 析因设计均匀设计 正交设计YNYNNY统计检验方法的选择1.单组试验统计检验方法的选择(图4)2.两组试验统计检验方法的选择 (1)异体配对设计试验统计检验方法的选择(图5) (2)完全随机设计试验统计检验方法的选择(图6)3.多组试验统计检验方法的选择(图7) 以下的流程主要是针对完全随机设计试验检验方法的选择，至于其他设计的多组试验的统计检验基本上都是采用方

5、差分析，只是变异采源有所不同而已图4：单组实验统计检验方法的选择单组实验序贯设计自身左右配对设计自身前后配对设计正态分布方差分析触线判断配对 符号秩t检验 和检验YN样本与总体计数 计量资料 资料U检验 t检验图5：配对试验统计方法选择配对试验计数资料 计量资料不一致性检验 吻合性试验配对2检验 K检验 正态分布与方差齐性配对 符号秩t检验 和检验是 否图6：完全随机设计两组实验统计方法选择直接 2检验 u检验概率法 (校正式) 2检验普哇松 多项式 二项式分布 分布 分布等级资料 计数资料 计量资料正态分布与方差齐性完全随机设计两组实验秩和检验两样本秩和检验2检验2CU检验2检验样本量否 是

6、n60否 是成组 u检验t检验 n40 n40 n40T1 1T5图7：完全随机设计两组实验统计方法选择2检验 方差分析加P值校正通过变量转换后正态性与方差齐性等级资料 计数资料 计量资料正态分布与方差齐性完全随机设计多组实验秩和检验或t检验加P值校正否 是方差齐性多组与一个对照组比较两两比较否 是Dunnett检验 q检验Ridit检验或H 检验实验设计方法完全随机设计(Complete random design)完全随机设计：将受试的对象完全地按照随机的原则分配到各处理组和对照组。 1.应用条件 2.实验资料分析方法的选择 3.模式 4.样本含量估计 5.注意事项应用条件完全随机分组设计

7、应用较广，适合于两组或两组以上单因素分析(计数、计量、等级)，但不能满足多因素分析，因工作量大，效率低。两组实验无法配对或多组实验无法配伍，单因素、样本内个体变异较小。注意各组的均衡和可比性。图8：完全随机设计的模式 以N为受试对象的总体，Ne为纳入实验受试对象，R为随机，、K为分组，D为实验数据，C为对照，T为被试因素,(图8) NNeR D1 D2 D1 D2 K D1K D1KCTaTj样本含量估计计量资料：在组与组之间样本含量相等(n1n2)条件下，每组样本含量(n) n=2(s/d)(u+u)2 式中d为预定差数计数资料：在n1n2的条件下，每组样本含量(n) n=(P1Q1+P2Q

8、2)(u+u)/(P1-P2)2注意事项(1)尽量注意各组样本间的均衡性，缩小抽样误差 (2)在样本总量不变的条件下，n1n2的设计效率高于n1n2设计。 (3)组间比较的关键是各组前后平均差数的比较，如差数与处理前值成比例关系者可用相对数或比值；若不成比例者，则应用平均差数的实际数。(4)根据科研目的，合理确定实验组数。(例如) 例如:研究某种癌切除术后放射与化学疗法的效果 若化疗与放疗对该类型肺癌的疗效尚未确定，则应设放疗组、化疗组与空白组 若已知化疗与放疗都有一定的疗效，研究目的仅仅是比较两者疗效的优劣，则设放疗与化疗两组 若还需探索放疗与化疗在疗效上是否存在叠加或交互作用，则应设四组，

9、即空白组、放疗组、化疗组和放疗加化疗组，应按22析因设计。 配对设计(matched-pairs design) 配对设计：是将条件相同或相近的受试对象按某些特征或条件配成对子，然后把每对中两个受试对象随机分配到不同研究组，这种设计称配对设计。可分为四种： 一自身前后配对设计 二左右配对设计 三异体配对设计 四交叉配对设计自身前后配对设计 指同一批实验对象，施加一种受试因素后，观察某一实验指标在实验前后的变化。或同一批标本接受两种不同测定方法的检查也这属类配对。.适合范围：主要应用于急性病与短期，但不是绝对不能用于慢性病。.优缺点优点：样本例数少(单组)、效率高、抽样误差小(同一批对象，个体差

10、异=0)缺点：很难将实验前后将非处理因素等条件控制的完全一致，结果可能产生偏倚。(因此不宜用作慢性病)自身前后配对设计自身前后配对设计3.数据处理 计量资料： 正态：配对t检验 非正态：符号秩和检验 配对2检验 计数资料： 秩和检验 方法一致性Kappa自身前后配对设计4.模式: 以N代表受试对象的总体，Ne代表符合纳入标准并确定受试对象的人数，D代表反应指标测定值，C为空白对照或安慰剂对照，T为被试因素，则其基本模式是： 急性 NNeD1D2 慢性 N NeD1D2D3 若以S代表标本总体，Se代表受检标本，A、B代表两种检验方法，则两种方法配对设计模式是： SSeTCTA DAB DB自身

11、前后配对设计5.样本含量估计 自身前后配对设计的样本含量(n) n=(s/d)(u+u)2 式中d为预定的平均差数自身前后配对设计6.注意事项尽量控制实验条件，保证处理前后其他条件具有可比性。并避免时间过长的实验，以删除时间与大自然条件变化的影响。在离体实验中，由于器官组织脱离正常体内环境，它们的生物反应可能有一定的变化，必要时应另安排合理配对或改为异体配对设计。个体间差异较大时，可用相对差数进行分析，即变化(比)率(处理前-处理后)/处理前。左右配对 同一个体左右两个器官，一侧施加实验因素，一侧为对照的实验设计方法，如：左右眼，左右肾，左右肢体。.应用范围 左右配对设计只适于局部作用因素析研

12、究，如：扩瞳药，局部反应药。 用药后可引起全身反应或血液循环发生改变等，不适合此种设计。.优点 可比性强，其他设计方法与此无法比拟的左右配对3.数据处理 左右配对设计的变异来源包括处理与对照，左与右，个体间，误差四个方面，需用三因素的方差分析(例p231)4.模式 以N代表受体对象总体，Ne为纳入实验的受试对象，R为随机，T为处理，C为对照，则左右配对设计的基本模式是： NNeR T C C T 左 右左右配对5.样本含量估计 左右配对设计实验的样本含量估计与前后配对设计相同 6.注意事项必须保证被试因素的观察效应是局部的。若实验目的是利用病理模型观察不同被试因素疗效，应保证两侧模型病变程度的

13、一致性。左右分组应遵循随机化原则。1.含义 将受试对象按照一定的条件(依专业知识确定)，将条件相同的个体配成对子，然后在对子内部按照随机方法，将一个分配至实验组，另一个分配到对照组。最后对其结果以配对分析的统计方法加以处理。2.应用范围 适用于急性实验，同时也适用于慢性。 异体配对异体配对3.模式 以N代表总体，Ne代表纳入的受试对象，P为配成对子，R为随机，分为、两组，D代表指标数据，则异体配对设计的模式是： NNePR : D1 D2 : D1 D2 异体配对4.样本含量的估计 1:l异体配对设计的样本含量估算公式与自身前后配对设计相同,但求得n在异体配对设计中是受试对象的对子数(即每组样

14、本例数)。 2.设计时注意事项通过严格异体配对异体配对要求实验观察在同一时期完成。为了减少偏倚,可以从1:1的比例扩大至1:2或1:3配对时尽可能做到对子本身的齐同，特别是所有的主要影响因素，理想的异体配对是同卵双生。在有处理前资料的条件下，尽管处理前两组比较P0.05或P0.2,不宜做成组t检验,而应以两组对子前后差值做配对t检验.交叉配对设计 （Cross-over design）.模式.应用范围.优点缺点.统计学处理与注意事项模 式受试者随机分组甲组A 乙组A 乙组B 甲组B阶段 阶段结果应用范围两种处理效应期短,且无蓄积作用,无交互效应.适用于病情稳定的慢性病.也可用于离体器官的研究.

15、优缺点优点从这种设计模型可以看出,它既包含了异体配对的优点,同时又具有自身前后配对的优点。需要的样本量少一半，同一样本接受两种处理。缺点 受试对象要求前后条件保持一致性，应用受到一定限制。统计学处理与注意事项采用方差分析：通常采用三因素的F检验，但多阶段交叉设计也可用单因素的F检验所选的病种要求是无自愈趋向的慢性病，并注意其可比性。为进一步提高结论的可靠性，必要时可作三阶段交叉，四阶段交叉。交叉配对设计统计学分析举例二阶段交叉配对设计统计学分析 某医师研究比较组织胺(因素)与胃泌素(因素)对巴氏小胃盐酸分泌量(mol/h)的影响。组织胺和胃泌素对胃酸分泌影响犬号 1 2 3 4 5 6 7 8

16、 9 10 11 12 期 A B B A B A A A A B B B 18 26 23 33 14 24 28 31 8 8 17 10 240期 B A A B A B B B B A A A 13 26 21 28 27 20 12 20 13 11 14 11 216合计 31 52 44 61 41 44 40 51 21 19 31 21XA=21mol/h XB=17mol/h设计1. 二阶段交叉设计的分析(p238)2.三阶段交叉设计的分析(P239)12只动物随机分组A药B药1、4、6、7、8、9 2、3、5、11、12、13 B药A药1、4、6、7、8、9 2、3、5、

17、11、12、13 第一期 第二期 配伍组设计(randomized block design) 配伍组设计又称随机区组设计、分层随机、区组间设计，是一种二因素的设计。 1.含义与设计方法 2.应用范围 3.特点与要求 4.设计方法 5.统计分析含义与设计方法 将实验单元分成若干组（区组）而后在每个区组内部再按随机原则，将受试对象分配到各处理组的设计。丙乙甲区组（处理组）应用范围.凡是目的要求回答两种因素(被试因素,配伍组因素)各自差异有无统计学意义情况，不是两个或多个处理组，均可采用伍组设计。.实验时适合用于小动物实验。临床上用于专科医疗单位较好。特点与要求1.它不仅可回答处理间(第一因素)差

18、异有无统计学意义，而且还告诉区组(第二因素)间差异有无统计学意义。.要求每个区组间的观察对象数相等，各区组间的观察对象强调“组内一致”。.在配伍组设计时，第一因素应该安排研究的主要因素，第二因素相对次要一点可以是待考察的因素，也可以是仅仅为了排除它对实验结果的影响。.设计区组时原则是：对实验结果有明显影响的非处理因素为划分区组的条件。区组间差异越大越好，区组内差异越小越好。特点与要求设计方法（举例） 例一：比较不同灭螺药在有螺河岸进行药效比较实验，由于河岸钉螺分布是不均匀的，一般近水地带钉螺密度最高，远水坡度地带密度底，中间密度中等。 如果我们要设计区组，如何设计？设计方法（举例）图示错误正确

19、设计方法（举例） 例二：欲研究三种药方（保和九六君子汤吴茱萸汤）治疗胃溃疡病人疗效，还要观察三种药方对不同辩证施治的病型（脾胃虚寒、中气下陷、肝胃不和）的疗效。 （见图）27例胃溃疡患者随机区组样本分配病 人 编 号 1 2 3 4 5 6 7 8 9随机排列数字 5 8 1 7 4 0 6 3 2组 别 乙 丙 甲 丙 乙 甲 丙 乙 甲病 人 编 号 10 11 12 13 14 15 16 17 18随机排列数字 4 8 0 2 3 6 5 7 1组 别 乙 丙 甲 甲 乙 丙 乙 丙 甲病 人 编 号 19 20 21 22 23 24 25 26 27随机排列数字 1 7 3 5 0

20、 8 2 4 6组 别 甲 丙 乙 乙 甲 丙 甲 乙 丙 脾胃虚寒型中气下陷型肝胃不和型结果整理如下： 甲组 乙组 丙组 (保和丸) (六君子汤) (吴茱萸汤)脾胃虚寒型 3 6 9 1 5 8 2 4 7中气下陷型 12 13 18 10 14 16 11 15 17肝胃不和型 19 23 25 21 22 26 20 24 27统计分析.检查资料的完整性.计量资料的比较符合正态分布与方差齐性条件时，采用两因素方差分析(例p244)二项分布资料 A、配伍组设计计数资料先采用秩和检验，再进行Friedman2检验(p246) B、数据变换法(sin-1p )、按配伍实验进行方差分析(p247

21、) 普哇松分布资料比较 配伍组实验的普哇松分布资料首先进行平方根转换，若原变量中有0或负值，则应将每个原变量加一个数后在开方,然后再进行方差分析(p248)统计分析拉丁方设计与分析(latin square design)定义拉丁方：是指由拉丁字母所组成的方阵，在同一行(或列)内没有重复的字母。若有r个拉丁字母(处理数)，即排成rr的方阵。如：拉丁方设计的定义： 即把处理因素以拉丁字母代替，其他二个因素分别安排在行或列，将实验单元排成一个方阵。通常将第二因素排于行，即区组；第三因素排于列，即序列。 44拉丁方 A B C D A B C D A B C D A B C D B A D C B

22、C D A B D A C B D A C C D B A C D A B C A D B C D A B D C A B D A B C D C B A D C B A 5 5 拉丁方ABCDE ABCDE ABCDE ABCDE ABCDE ABCDE ABCDEBAECD BADEC BAECD BADEC BCDEA BADEC BCEADCDAEB CEDAB CDEAB CEBAD CEABD CDBEA CADEBDEBAC EDACB DCBEA DEBCA DAEBC DAECB DEACBECDAB DEACB DEABC ECABD EDACB EDBAC EADBC如何

23、排列才能不重复？A、B、C、D、E、F、G、H例:某医师要研究、种药物，对四窝不同的老鼠，用四种不同含脂类饲料喂养，这里就有药物、窝别、饲料三个因素对主动脉斑块形成面积有影响，如何设计实验设计方法？本例为三个因素各有4个水平，即：药物：甲、乙、丙、丁窝别：1、2、 3、 4饲料：、 设计方法1根据处理因素的水平数选择标准方凡拉丁方的第一行和/或第一列按拉丁字母顺序排列者称为“标准方”。如r=4，有四个44的标准拉丁方。由标准方又可派生出若干个拉丁方，即经行-行或列-列之间随机对调后的拉丁方称为“工作方”。任选其中一个标准方进行“行-行”或“列-列”之间随机对调。2将标准拉丁方随机化 即将任意整

24、行之间、整列之间随机对调，使之随机化。一般行与行、列与列之间各对调两次即可。例如，从随机数字表中读取4个两位随机数，如08、65、34、78，并对其编序R，对应的R=1、3、2、4，先进行行间对调，即第一行与第三行对调，第二行与第四行对调。再查4个两位随机数字，如23、36、57、86，对应的R=1、2、3、4，即第一列与第二列对调，第三列与第四列对调。 对调方法：有多种方法，比较灵活，做到随机即可。方法一，方法二设计方法方法二：可从随机数字表任一页任一随机数(“0”不用)开始，抄录若干数字。第1个数字作为选用的标准方的序号。若该数字大于r时，则减去r或2r，将余数作为标准方的序号第2个数字作

25、为随机调整的次数。3个用来确定作行或列的调整，若该数字为偶数时，则作行间对调，若为奇数时，作列间对调。接下来的数作为对调的行号或列号。若数字大于拉丁方的阶或为0时，弃去，并依次顺延。余类推，直至完成第2个数字规定的调整次数。例如，从随机数字表抄录下列15个数字：l、3、4、3、9、l、5、2、7、8、1、2、4、0、3，根据上面的假设，各个数字的意义如图23-3所示。 设计方法DABCBCDAABCDCDAB（假设）随机后的工作方为设计方法3随机分配处理因素例如，从随机数字表中读取4个两位随机数为11、48、83、28，则R=1、3、4、2，于是A、B、C、D依次对应于甲、丙、丁、乙。将上述随

26、机后得到的最后一个拉丁方的行和列分别对应于窝别和饲料种类，最终实验安排见下表。 设计方法窝别第二因素D乙 C丁 B丙 A甲B丙 A甲 D乙 C丁A甲 D乙 C丁 B丙C丁 B丙 A甲 D乙饲料（第三因素） 二、设计要求与应用范围.三因素实验，且要求每因素的水平数相等， n处n行n列.要求处理因素间、区组与区组间、序列与序列间没有交互作用且方差是齐的.要求每一种处理因素在不同区组和不同序列都分布均匀，即：每种处理在任意一行与任意一列均出现一次，不得重复。1优点 无论在行方向或列方向出现差异时，拉丁方设计均可克服这两个方面的差异带来的干扰，能充分显示出处理间的差异，实验设计的精确性和灵敏性更高，是

27、一种高效率实验设计。拉丁方设计是把处理因素均匀地分布在各行和各列中，可视为纵横两向皆为配伍组，比配伍组设计多了一个控制因素，能大大节省实验单位数，尤其适合动物和实验室的试验。优缺点 优缺点2缺点 拉丁方设计只能满足三因素的试验，且三个因素的水平数要求相等，各因素之间无交互作用。一般的试验难以满足此条件，故在应用上有一定的局限性，当数据缺失时还会增加统计分析的难度。 统计分析 采用方差分析 例：某医生比较、种药(降脂药)对主脉硬化斑块面积的影响，在四窝大鼠中各取只体重相近的雄鼠，并且采用四种(含脂量)不同的饲料喂养。目的：了解降脂药对斑块有无影响，不同窝别的大鼠对斑块形成影响，含脂量不同饲料是否影响斑块形成。ABCD四种药物对动脉硬化斑块大小影响窝别 饲 料 合计XR 1 C0.85 D1.02 A0.90 B1.00 3.77 2 D1.28 A0.88 B1.10 C0.80 4.06 3 A0.95 B0.98 C0.82 D1.10 3.87 4 B1.05 C0.78 D1.04 A0.92 3.79合计XR 4.13 3.66 3.86 3.84 15.29统计分析统计分析 2、统计学分析：选用方差分析建立数据文件结论：药物（处理组间）FF0.01 P0.01 区组（动物窝别）FF0.05 P0.0