实验设计 医学统计与流行病学系

1、1,第 十 四 章 实验 设 计,郝 春 中山大学公共卫生学院 医学统计与流行病学系,2,“The function of a research design is to ensure that the evidence obtained enables us to answer the initial question as unambiguously as possible.” (Archer, 1965) “Research designs are concerned with turning the research question into a testing project. The best design depends on your research questions. Every design has its positive and negative sides.” (Cross, 2006),3,Questions 问题,What is going on? 发生了什么事？ Why is it going on? 为什么会发生这件事？ How to preve

2、nt it? 如何预防这件事的发生？,4,不同体重、孕周、产次的产儿死亡情况,Questions,What is going on? (新生儿死亡) Why is it going on? (体重低，孕周短，产次多者) How to prevent it? (强化围产期保健，保证孕妇婴儿健康，预防早产等),6,研究设计包括： （医学）专业设计 统计设计 统计设计是对资料搜集、整理和分析全过程总的设想和安排。它包括确定设计类型、样本含量的估计、选定统计分析指标和统计分析方法等。,Case report (SARS); 案例报告 Cross-sectional study; 横断面研究 Case-control study; 病例对照研究 Cohort study. 队列研究,Observational Design 调查研究,8,Cross-sectional studies 横断面研究,在同一个时间点上调查人群的患病状况和疾病的暴露因素。,时间,研究时间只限于这一个点,病例对照研究,研究 人群,病例组,对照组,暴露因素,无暴露因素,暴露因素,无暴露因素,现在,过去,时间,研究开始于此点

3、,肺癌,Retrospective 回顾性的,队列研究,时间,研究开始于此点,没有相 关疾病 的人群,暴露因素,无暴露 因素,患病,未患病,患病,未患病,现在,将来,(Framingham cardiovascular 心血管 disease study),prospective 前瞻性的,病例报告,病例对照研究,队列研究,建立假设,探索相互之间 的关联性,定义因果关系,Increasing Knowledge of Disease/Exposure,12,13,Lancet, 1961,海豹肢畸形,反应停,动物实验 临床试验 社区干预试验,Experimental Design 实验研究,14,(Iodine 碘),15,实验（Experiment）：指由研究者主动地决定给予部分实验对象某种处理，给予另部分对象某种对照处理的研究设计形式，这种处理的分配常常是随机的。 调查(Survey)：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如实记录。,实验设计三要素 受试对象 (object) 处理因素 (treatment) 实验效应 (experime

4、ntal effect),第一节 实验设计的基本要素,17,18, 处理因素(study factor，treatment),处理因素：研究者根据研究目的欲施加或欲观察的，能作用于受试对象并引起效应的因素。 非处理因素：相应的也能使受试对象产生效应的因素，又称混杂因素(confounding factor)。,确定处理因素要注意的几个问题,1. 把握实验研究中的主要因素 如药物的剂量和作用时间。 2. 区分处理因素与非处理因素 如用药与否及个体性别。 3. 处理因素应当标准化 如药物批号。, 处理因素(study factor，treatment),20, 受试对象(study subjects),可分为动物与人体两种。实验前必须对受试对象作严格规定，保证其同质性。 1. 动物的选择：要考虑动物的种类、品系、以及年龄、性别和体重以及营养状况等。 2. 人的选择：分病人和健康人。病人的选择应当诊断明确、依从性好，能真实可靠地反映主观感觉。,实验效应是指受试对象接受处理因素后所出现的实验结果，通常由各项指标来反映。 1. 选用客观性较强的指标 2. 选用精确性较强的指标：准确度与精密度 3

5、. 选用灵敏度较高的指标 4. 选用特异性较高的指标, 实验效应(experimental effect),22, 实验效应(experimental effect),23,第二节 实验设计基本原则,一、 对照,二、 随机,三、 重复,24,一、对照的原则,有比较才有鉴别。,对照的意义 ：,指设立对照组以排除非处理因素而显示出处理的效应。,消除和减少实验误差 。,处理组：,对照组：,比较结果：,25,对照的形式,(一)安慰剂对照和空白对照 (二)实验对照 (三)标准对照 (四)自身对照,(一)安慰剂对照和空白对照：,处理组：,对照组：,比较结果：,安慰剂对照是空白对照的一种变形,27,(二)标准对照： 以现有的标准或正常值作对照。,例 某种新的方法能否代替传统方法的研究； 某病患者与正常人同一项生理、生化指标对照等。,注意：实验条件应一致 。 标准组应能代表当时疗法的水平。,28,(三)实验对照： 施加基础实验条件（非处理因素）。,例： 赖氨酸面包+非处理因素赖氨酸效应 + 面包效应+非处理因素效应,面包+非处理因素 面包效应+非处理因素效应,赖氨酸 赖氨酸效应,29,(四)自身对照：

6、在同一受试对象上进行。 特点：简单易行，使用广泛。但若试验前后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。,单盲法：受试对象不知道自己分在哪一组； 双盲法：受试对象和实验执行者均不知道受试对象分在哪一组； 三盲法：受试对象、实验执行者和统计分析人员三者均不知道受试对象分在哪一组。,盲法避免观察中的偏倚,31,例：试用ADI药物预防肠道传染病的效果观察设计。,方案一： 甲幼儿园(100人) 服ADI，肠道传染病 乙幼儿园(100人) 不服ADI，肠道传染病,分析：甲乙幼儿园的非处理因素（食堂卫生条件、儿童卫生习惯）如不相同，则不均衡。,32,甲幼儿园（100人） 服ADI（50人） 不服ADI（50人） 乙幼儿园（100人） 服ADI（50人） 不服ADI（50人）,方案二：,33,二、随机的原则,随机化原则(randomization)： 随机“随便”, 指每个受试对象以机会均等的原则随机地分配到试验组和对照组。 目的：使各组非实验因素的条件均衡一致，以消除对实验结果的影响。,(1)抽样的随机：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

7、到样本中来。它保证所得样本具有代表性。 (2)分组的随机：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能均衡，以提高组间的可比性。 (3)实验顺序的随机：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。,随机的体现：,35,随机化方法：,1) 抽签：简便易行，适用小样本。 2) 用随机数字表和随机排列表。 随机数字表常用于抽样研究及分组随机化；随机排列表适用于分组、排列等的随机化，且各组不用调整。 3) 用计算器或计算机。,例14-1 试将同性别、体重相近的15只动物分到A、B、C三组。(p.488，附表15，第16行),15只动物完全随机分组的结果,完全随机化,例14-2 为研究四种剂量的碘对小白鼠脾脏的影响，将40只小白鼠的体重作为分层和区组因素，试作随机分配处理。(p.488，附表15，第9,10列),小白鼠区组随机化的结果,分层随机化,38,三、重复的原则,重复是减小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，以提高实验的可靠性和科学性。 （1）整个实验的重复：反映实验的重现性，从而提高实验的可

8、靠性。 （2）用多个受试对象进行重复：要有足够的样本含量。 （3）同一受试对象的重复观察：保证观察结果的精度。,39,第三节、常用的实验设计方案, 完全随机设计, 配对设计, 交叉设计, 随机区组设计, 析因设计,又称简单随机分组设计(simple randomized design),是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），和非平衡设计（各组样本含量不等）。 优点：设计简单，易于实施，出现缺失数据时仍可进行统计分析。 缺点：小样本时，可能均衡性较差，抽样误差大。,(一) 完全随机设计(completely randomized design),41,方法：把受试对象按一定条件配成对子，再随机将每对中的受试对象分配到不同组。 配对因素-影响实验效应的主要非处理因素，以提高组间均衡性。自身配对和异体配对。, 配对设计 (paired design),42,A 接受新药 实验对象配成对子随机分配对子 B 接受常规药,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（含同一个体的两对器官或组织），分别接受两种不同的处理。（双

9、生子） （2）同一受试对象（人或标本）分别接受两种不同的处理。（两测量方法等价？） （3）前后配对，即同一受试对象接受一种处理的前后。（减肥药）,是一种特殊的自身对照设计。 在设计时，先将条件相近的观察对象配成对，再采用随机分配的方法将A、B两种处理因素先后施于同一批观察对象，随机地使半数对象先接受A，再接受B；另一半对象先接受B，再接受A。两种处理因素在全部实验过程中交叉进行，因此称之为交叉设计。,(三)交叉设计（Cross-over design ）,二阶段交叉设计,4W,4W,交叉设计的优缺点及应用范围：,1. 节省样本例数，实验效率较高；每一个受试对象同时接受两种处理，均等地考虑了每个患者的利益。 2. 两次观察的时间及间隔时间均不宜太长，处理效应不能持续过久。 3. 交叉设计适用于某些病程相对较长的疾病，不适用于病程较短的急性病疗效的研究。,47,又称随机区组设计。相当于配对的扩展，即将几个受试对象按一定条件配成区组，再将每一区组的受试对象随机分配到各个处理组中。,(四) 随机区组设计(randomized block design),48,A 接受甲处理 实验对象配成区组随机分配区组 B 接受乙处理 C 接受丙处理 D 接受丁处理,49,优点： 每个区组内的实验单位有较好的同质性，更易察觉出处理间的差别。该设计均衡性好、误差减低，可以提高效率，统计分析也较简单。 缺点： 处理组数需等于区组内观察对象数。另外如果一个区组内的观察对象发生意外时，则只好放弃整个区组或不得已而采用缺项估计的方法进行统计分析。,22析因设计是指有两个因素，每个因素各有两个水平，共有4个组合。设A1代表A因素1水平，A2代表A因素2水平；设B1代表B因素1水平，B2代表B因素2水平，交叉组合后的22析因设计模型如下： 22析因实验设计模型,(五) 析因设计(factorial experimental design),例：某医师欲研究A、B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。用何实验设计可达到研究者的研究目的，并做出设计

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