实验设计概述2013.ppt

1、实验设计概述,山东大学公卫学院,2,主要内容,一、实验研究的特点及分类 二、实验设计的基本原则 三、实验设计的基本要素 四、控制误差与偏倚 五、样本含量的估计,山东大学公共卫生学院,3,科学研究的基本步骤,统计工作的基本步骤,统计学家Fisher：“做完实验后才找统计学家无异于请他 作尸体解剖，他能做的全部事情就是 告诉你这实验死于什么原因”.,4,科研设计,专业设计：指研究者对专业知识的把握能力，直接影响着实验的深度和水平。 统计设计：指研究者对统计知识的正确应用，直接影响着科学实验的质量。 统计设计的任务是从研究的部署、实施、直到研究结果的解释，进行系统的安排，要做到以最少的人力和物力来获

2、得可靠的结论与信息。,山东大学公共卫生学院 Liu Yunxia,具体包括：确定研究设计类型、确定总体及样本、估计样本含量、拟定观察指标及测量方法、资料的可靠性及质量控制，数据管理及统计分析计划等。,5,根据收集资料的方法，分为两大类： 调查研究：研究者只是“被动”地观察客观实际情况，不对研究对象施加任何干预措施。- 调查设计 如，比较不同环境条件下同一种疾病的发生、发展。 实验研究：研究者给研究对象人为地施加干预因素，然后观察这种干预因素产生的效应。-实验设计 如，比较不同药物治疗同种疾病的效果。,科研研究,山东大学公共卫生学院 Liu Yunxia,6,实验设计,实验设计是科研计划的具体实

3、施方案，是进行实验和统计分析的依据，是科学研究顺利进行以达到预期目标的重要保障。 一个科学合理的实验设计应该包括：根据研究目的确定研究内容、技术路线和研究方法，特别是如何用较少的人力、物力、财力和时间，最大限度地减少误差来进行实验、获得可靠的结果。,山东大学公共卫生学院 Liu Yunxia,7,一、实验研究的特点及分类,实验研究的特点： (1) 处理因素是研究者人为设置的； (2) 受试对象接受何种处理因素或水平由随机分配而定， 因此各组的非处理因素均衡性好，组间具有可比性。 (3) 能使多个实验因素包含在较少次数的实验中，能有 效地控制误差。,山东大学公共卫生学院 Liu Yunxia,8

4、,实验研究的分类(根据研究目的和受试对象)： (1) 实验室研究（experiment in laboratory） (2) 临床试验（clinical trial） (3) 社区干预试验(community intervening trial),实验研究的特点及分类,山东大学公共卫生学院 Liu Yunxia,9,实验室研究 (experiment in laboratory) 以实验动物或某些标本为实验对象，容易随机化，研究者可以主动地施加任何干预措施。 通常为一些探索性研究，例如毒物的致畸、致癌、致突变实验，一些药理实验等。,实验研究的分类,山东大学公共卫生学院 Liu Yunxia,1

5、0,实验研究的分类,临床试验（clinical trial） 以临床上的病人为实验对象。研究者在选择研究对象和施加干预措施时应特别注意要符合医学伦理学要求，一般局限于对病人身心无损的实验，目的多为研究某种药物或某项疗法的疗效，且多为证实性研究。 另外，由于人具有自然属性和社会属性，其心理状态和依从性会影响实验结果，故在设计时，应严格控制误差和偏倚。,山东大学公共卫生学院 Liu Yunxia,11,实验研究的分类,社区干预试验（community intervening trial） 以社区中的健康人群为研究对象，目的往往是观察某项保护性措施对疾病的防治效果。由于社区干预试验难以对研究对象进行

6、良好的随机分配，因此又称半实验研究（quasi-experiment）。 如，观察肾综合征出血热疫苗对肾综合征出血热的预防作用；慢性病（高血压、糖尿病等）社区干预措施（运动、心理、膳食等）的效果评价。,山东大学公共卫生学院 Liu Yunxia,12,二、实验设计的基本要素,处理因素 受试对象 实验效应,山东大学公共卫生学院 Liu Yunxia,实验研究的目的就是阐明处理因素作用于受试对象后的效应。,例如： 用某种降压药物治疗高血压患者，观察其血压下降情况,13,（一）处理因素 (study factor, treatment),处理因素，指在试验中研究者希望着重考察的某些试验条件或给受试对

7、象施加的外部干预措施。 实验中影响实验结果的因素有很多，在一次实验中，研究者不可能也不必要对所有影响因素都进行研究，因此，在实验设计中，常常将处理因素以外的影响因素称为非处理因素（又称混杂因素，confounding factor）。,山东大学公共卫生学院 Liu Yunxia,如观察培养基在空气中的污染程度与季节的关系，季节为客观存在的处理因素。,14,处理因素可以是人为主动施加的，如某种药物、手术方法、毒物等；也可以是客观存在的某些实验条件(如温度、气候)或是受试对象本身的某些特征(如性别、年龄等)。 处理因素可以是一个，也可以是多个。 同一个因素可以根据不同强度或状态分为几个水平。 如观

8、察某种药物三种不同剂量的效果，即为单因素三个水平；若同时观察这种药物两种给药方式（口服和肌注）、三种不同剂量的效果，这时给药方式和剂量则成为两个处理因素，其中一个因素为两水平，一个因素为三水平，统称为两因素多水平。,处理因素,山东大学公共卫生学院 Liu Yunxia,15,实验设计中，确定处理因素时需注意以下几点：,1、明确处理因素和非处理因素； 2、抓住实验中的主要因素； 3、处理因素必须标准化。,处理因素,山东大学公共卫生学院 Liu Yunxia,如，研究某药物降低糖尿病患者血糖的疗效。,16,（二） 受试对象 (subjects),医学研究的受试对象可以是人和动物，也可以是器官、血清

9、、细胞等。 实验动物的选择：不同实验内容和实验目的有不同的要求，实验中应明确其种属、品系、月龄、生理状态、性别、体重、窝别等。具体方法参见“实验动物学”。 人的选择： 病人：应注意病例的来源、诊断标准、纳入标准、排除标准，另外，病人的依从性要好。 健康人：明确健康的概念，排除有某些特定疾病的人。具体参见 “临床试验设计”。,山东大学公共卫生学院 Liu Yunxia,实验前必须对研究对象的条件（纳入标准）作明确规定，以确保同质性，并保证研究样本对总体的代表性。,17,（三）实验效应 (effect of the treatment),实验效应，指受试对象接受处理因素后的反应，是研究结果的最终体

10、现，也是实验研究的核心内容。 应具体化为观察指标，通过观察指标定量或定性地反映实验效应。 研究者应当对所研究的问题有全面的了解，避免设计时遗漏重要的观察指标。,山东大学公共卫生学院 Liu Yunxia,18,选择效应指标的基本原则：,客观性：尽可能地选用客观指标。 关联性：即指标应与研究目的有本质的联系，可通过查阅文献、预备实验或理论分析而定。 精确性：包括准确度和精密度。准确度是指观察值与真值的接近程度，反映系统误差；精密度是指重复观察时，观察值与平均值的接近程度，反映随机测量误差。选择指标时应在保证准确度的同时兼顾精密度。 灵敏性：尽量选择高灵敏度的指标和测量方法。 特异性：为了更好地揭

11、示研究问题的本质，观察指标还应具备一定的特异性。例如，诊断糖尿病时，血糖比尿糖的特异性高。,19,精确性准确度与精密度,20,三、实验设计的基本原则,对照(control) 随机(randomization) 重复(replication) 均衡( homogeneity ),山东大学公共卫生学院 Liu Yunxia,21,(一)对照的原则,医学实验的目的是能够得到处理因素(treatment, T )的实验效应(effect, e )，即Te。但在实验中，不可能是单纯的处理因素在起作用，非处理因素(S) 也会起作用，即T+S e+s。 如何得到T产生的效应e，就要有一个实验设计，设计的主要

12、手段是通过设立对照组对 S 加以控制和抵消，从而显示出处理因素的作用。,山东大学公共卫生学院 Liu Yunxia,设立对照的意义在于使实验组和对照组内的非处理因素基本一致，从而使处理因素的效应得以显示。,22,常用的对照形式,空白对照 实验对照 标准对照 自身对照 配对对照 相互对照 历史对照 安慰剂对照,山东大学公共卫生学院 Liu Yunxia,23,空白对照是指不给对照组施加任何处理因素。 例：为了解某疫苗效果，选两个发病率与人口构成和风俗习惯都接近的地区，一组接种疫苗(实验组)，一组不接种疫苗也不采取任何干预措施(空白对照组)，观察两地发病率的变化情况。临床试验中较少用。 示意图 试

13、验组：T+S1 e+s1 | | 对照组：0+S2 0+s2 - T e,常用的对照形式空白对照,24,实验对照：不给对照组施加处理因素，但施加某种实验因素，即对照组采用与实验组相同的操作程序但不含处理因素。 如：观察赖氨酸对儿童生长发育的影响，给实验组的儿童课间加餐含赖氨酸的面包，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，实验因素“面包量”是非处理因素，两组的非处理因素是相同的。,常用的对照形式实验对照,山东大学公共卫生学院 Liu Yunxia,25,标准对照：不设立专门的对照组，而是用现有的标准值或正常值做对照。 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

14、代表当时水平的疗法，切忌以降低标准组效应的方法使实验组效应提高。,常用的对照形式标准对照,山东大学公共卫生学院 Liu Yunxia,26,自身对照：对照和实验在同一批受试者身上进行，例如用药前后。 这种对照具有了控制受试者间误差的特点，但对照和处理的效应指标是在不同时间测定的，因而引入了“时间”这一因子，所以一般情况下还要设立平行对照或采用交叉设计。,常用的对照形式自身对照,山东大学公共卫生学院 Liu Yunxia,27,配对对照：将受试对象按非处理因素条件相同或相近者配对，然后采用随机分组的方法将它们分别置于实验组和对照组中去。 这将减少样本间的个体误差，使两种处理存在的差别更好地显示出

15、来。,常用的对照形式配对对照,山东大学公共卫生学院 Liu Yunxia,28,相互对照：不专门设置对照组，而是2个或几个实验组间相互对照。 例如，用莫雷西嗪治疗室性早搏，设立冠心病组、高血压病组和心肌病组，比较该药对由这三种疾病引起的室性早搏的疗效。 ： 试验组：T1+S1 e1+s1 | | 对照组：T2+S2 e2+s2 - T1-T2 e1-e2 比较e1与e2孰优孰劣。,常用的对照形式相互对照,29,历史对照：以本人过去的研究或他人的研究结果与本次研究结果作对照。 例如：第一只克隆羊的诞生，第一例非体外循环条件下的冠状动脉搭桥术成功的报告，都能得到承认。 历史对照仅适用于非处理因素影

16、响较小的少数疾病，常规实验一般不宜使用，若用时，必须考虑资料间的可比性。 例如，恶性肿瘤患者的生存率,常用的对照形式历史对照,山东大学公共卫生学院 Liu Yunxia,30,安慰剂对照：实验组用某一种药物，对照组则采用一种无药理作用的安慰剂(placebo)，它们在外观上不能为受试者所识别。 使用安慰剂有助于避免对照组与试验组病人不同的心理作用的影响，但使用时必须遵守医德，并且通常要采用盲法(单盲、双盲、三盲)。,常用的对照形式安慰剂对照,山东大学公共卫生学院 Liu Yunxia,随机化方法：抽签 抛硬币 掷骰子 随机数字表 随机排列表 计算机产生随机数,31,(二)随机的原则,随机化(r

17、andomization)，实验设计中必须遵循随机化的原则，这是保证各组受试对象的非处理因素均衡一致的重要手段。,抽样随机：总体中每个个体有相同的机会被抽到样本中来，从而保证样本的代表性。 分组随机：每一受试对象被分配到不同处理组的机会是同等的，分组的结果不受人为因素的干扰和影响，保证处理组间受试对象尽可能均衡一致，以提高组间可比性。 实验顺序随机：每个研究对象先后接受处理的机会相同。,山东大学公共卫生学院 Liu Yunxia,32,山东大学公共卫生学院 Liu Yunxia,33,34,(三)重复的原则,重复(replication)，是指在实验中，每一个处理组要通过足够数量的受试对象(即

18、足够的样本含量)，才能排除非处理因素和偶然因素的影响。是消除非处理因素影响的又一重要手段，同时也消除偶然因素的影响。 正确估计观察例数的原则：在保证研究结果具有一定的代表性和可靠性的基础上所需要的最少例数。,山东大学公共卫生学院 Liu Yunxia,35,（四）均衡的原则,均衡，就是各组的受试对象除接受的处理因素不同外，其他影响试验效应的非处理因素要基本相同。 只有在均衡的条件下，各组才具有可比性，才能客观地反映处理因素的效应。 随机分组是保证各组均衡的重要手段。,山东大学公共卫生学院 Liu Yunxia,36,四、误差与偏倚,（一）误差（error） 误差是实测值与真值之差，分为随机误差

19、和非随机误差。 随机误差：由随机因素引起的误差，具有随机、变化、不恒定的性质，如抽样误差。 非随机误差：分系统误差和非系统误差两种。,系统误差：在试验过程中产生的呈现一定规律性的误差，其产生原因通常是可知的；应设法消除其影响，不能消除的应设法估计其影响程度，以供分析资料时参考。 非系统误差：在试验过程中由于偶然失误造成的误差，如数据录入错误等，因而又称其为过失误差。对于此种误差应通过认真核查资料予以消除。,37,（二）偏倚（bias）,在临床试验过程中，由于对某些非处理因素未加严格控制，致使这些非处理因素对实验效应产生干扰，此种干扰所造成的系统误差叫偏倚。 偏倚只能控制但不能完全避免，严格遵守

20、实验设计的基本原则是控制偏倚的重要途径。 偏倚可产生于临床试验研究的设计、测量和分析的各个阶段： 选择性偏倚(selection bias) 测量性偏倚(measurement bias) 混杂性偏倚(confounding bias),山东大学公共卫生学院 Liu Yunxia,38,选择性偏倚,由于纳入标准和排除标准不明确所造成的偏倚。在临床试验设计阶段控制选择性偏倚应采取以下措施： (1) 根据研究目的，严格规定受试对象的纳入标准和排除标准。 (2) 采用分层抽样方法。 (3) 正确设立对照组，尽可能使所有影响处理因素效应的非处理因素在试验组和对照组保持均衡。 (4) 严格贯彻随机化原则

21、，以保证试验组和对照组的受试对象的基础情况基本一致。,山东大学公共卫生学院 Liu Yunxia,在临床试验的观察和测量阶段，由于观察者或受试对象的主客观原因，对实验效应指标观察或测量时产生的偏倚叫测量性偏倚。 控制和防止测量性偏倚应采取以下措施： (1)盲法(blind)： 单盲是指受试者被盲，即观察者知道受试者分组情况，但受试者本人不知道。 双盲是受试者和观察者双方均不知道分组情况。 三盲是指观察者、受试对象以及负责资料收集和分析的人员均不了解分组情况。 (2)其它：严格质量控制、采用客观指标、资料校正等。,山东大学公共卫生学院 Liu Yunxia,39,测量性偏倚,40,混杂性偏倚,由于某些非处理因素与处理因素混杂在一起，影响了实验效应的准确性，这些由非处理因素所致的偏倚为混杂性偏倚，简称混杂。 控制和防止混杂性偏倚应采取以下措施： 在设计时要严格遵循随机分组的原则，使各组间的 非处理因素保持均衡，以防止混杂性偏倚。 在分析时可通过分层分析或多因素分析，以控制混杂性偏倚。,山东大学公共卫生学院 Liu Yunxia,41,五、样本含量的估计,影响样本含量大小的因素 检验水准 : 越小，所需的样本量越大; 检验效能(1- ): 1- 越大，样本量越大; 总体中研究指标的变异程度 : 越大， 所需样本量越大； 组间总体