实验设计的基本原则和常用方法

1、第五章 实验设计的基本原则和常用方法,第一节 实验设计的基本原则,实验设计的主要作用就是减少误差，提高实验的精确度。实验设计应遵循以下3各基本原则，以达到控制实验误差的目的。 一、对照原则 对照的意义在于鉴别处理因素与非处理因素的差异，消除和减少实验误差。,处理组：,对照组：,比较结果,1.对照的形式 （1）空白对照 确知对照的干预对实验结果无影响，不会延误对照病人的诊断，不会影响对照病人的治疗和康复。因而，这种对照在动物实验及实验室方法学研究中常用。 对照组不给予任何处理的对照，反映了观察对象在实验过程中的自然变化。 例如： 进行可疑致癌物的研究，实验组加入可疑致癌物，对照组不给任何处理，仅观察有无自发肿瘤的发生。,（2）实验对照 在某种有关的实验条件下（与实验组操作条件一致的情况下）进行观察的对照。 凡是对实验结果有影响的操作、溶媒、试剂等都应该设计实验对照。 例如：采用烟熏剂作病房空气消毒实验，需用不加药的单纯烟熏对照，以排除烟熏本身的抑菌作用。,（3）标准对照 以现有标准值或正常值作为对照，以及在所谓标准的条件下进行观察的对照。 例如：实验指标脉搏的对比，以正常值72次/分作为

2、对照。,（4）自身对照 对照与实验在每位受试者身上进行。 例如：评价某种治疗手足癣的药物的疗效，若患者左右手臂均患该病，就可以一只手臂上采用实验药物，另一只手臂上采用常规药物治疗，对两种药物疗效进行比较。,（5）相互对照 有时要考察的某因素不能取零水平，如考察某化学实验中反应温度对实验结果的影响，此时，各实验组分别在不同的温度条件下做实验，各组在实验中起到了相互对照的作用。,（6）历史对照 这种对照是将研究者以往的研究结果或他人的研究结果与本次研究结果作为对照。 历史对照应特别注意所用资料的可比性，各方面情况和条件是不是基本一致。 不同时间的发病率、致病因素特性、诊断标准、治疗方案、操作条件、技术水平、病人的病情等都会有变化，即使是同一实验室也难以均衡，可比性较差，一般不主张采用。但若考核时间因素带来的变化，则可采用历史对照。,2.几种不完善的对照 （1）重叠对照 有位医师研究工人接触苯对健康的影响，指标是尿中的某一代谢产物，他设置的对照组是不接触苯的工人，以接触苯的工人作为实验组，分别测定对照组与接触组工人工资前后尿中代谢产物的变化。 该设计用接触组工人工作前后尿中代谢产物比较已经是

3、实验前后的自身对照，没必要再以不接触苯的工人作为对照。,（2）多余对照 有新旧两种抗生素，已知两种药物均有较好的疗效，但不清楚它们的疗效程度，治愈快慢及不良反应的大小有何不同。 设计时，实验分3组：新药组、旧药组和空白对照组。 问题： 空白对照组是多余的，只要进行新旧药物比较就能解决问题。,（3）对照不足 某研究者设计某杀虫剂污染粮食对实验动物健康的影响，实验分3组：污染米饲料组；污染带糠皮饲料组；非污染米饲料组。 需要再设计一个非污染带糠皮米对照组来解决问题。,二、随机化原则 随机化是指每个受试对象以概率均等的原则，随机地分配到实验组与对照组。 对照组合实验组除处理因素不同外，其他非处理因素最好是完全一致的、均衡的。 事实上，不可能做到完全一致和绝对均衡，只能做到基本一致和均衡。,1.随机化的方法 （一）简单随机化 是指靠掷硬币、抽签或随机数字表，或用计算机产生伪随机数来进行随机化。 若有两个处理组，其分配到任一组的概率为0.5。,（二）分层区组随机化 区组随机化是指先确定区组长度，然后按事先确定的分配比例，将受试对象随机分配在区组内。 分组的原则一般是使一区组内处理数平衡，有时区组

4、内各处理数之比是个常数。例如，某临床试验按1:1比例分成实验组和对照组，只要保证每一区组中两组例数各占一半，则整个试验必然能保证两组例数相等。 区组长度要适宜，一般取410为好。 分层随机化是将受试对象所在总体按某些特征分割为次级总体，即先对可能影响临床试验结果的重要的临床,分层随机化是将受试对象所在总体按某些特征分割为次级总体，即先对可能影响临床试验结果的重要的临床试验结果的重要得临床特点或预后因素等干扰因素进行分层，然后在每一层内将受试对象随机分配到试验组和对照组，保证各组某些重要得干扰因素的均衡性。,（三）动态随机化 是指在临床试验过程中试验对象随机分组的概率根据一定的条件而变化的方法。 近年来发展起来的动态随机化方法，对于患病率低的病种，可以进行大规模、多中心、即时随机、各中心入选对象等例数可以不相同的临床试验。,随机数字表法操作步骤 （1）编号：将研究对象从1到N编号； （2）选取随机数字：从随机数字表中任意一个数开始，沿同一方向顺序获取每个试验对象的一个随机数字； （3）求余数：随机数除以组数求余数； （4）分组：按余数分组； （5）调整。,欲将15个研究对象随机分到3组；

5、,将20位受试对象随机分配到两组中,通过SPSS软件完成。,第二列为随机数，由SPSS产生（取均匀分布的随机数）；第三列为随机数编秩，遇到相同数可以顺序编；第四列为根据第三列的秩号分组： 秩号：1-10为第一组；11-20为第二组。,三、重复原则 重复是消除非实验因素影响的又一重要手段。由于存在个体差异，同一种处理对不同的受试对象产生的效果不尽相同。 重复最主要的作用是估计实验误差。 重复原则并非要求无限大的样本，样本量太大，工作量也大，增加了人力物力的消耗，难于控制实验条件，影响研究的质量。样本量究竟需要多大，可以采用统计学方法进行计算。,第二节 实验设计的基本方法,一、完全随机设计 是最为常见的单因素两水平或多水平的设计方法。 完全随机设计研究因素只有一个，随机分配于各处理组或对照组，每个研究单元，通过随机分配有效地避免了某些非实验因素的影响，使实验处理效果充分地显示出来。,为研究某降糖新药不同剂量治疗型糖尿病患者的降糖效果，将30名患有糖尿病的患者随机分为3组，并按组随机给予高剂量、低剂量某降糖新药和常规降糖药，测量患者治疗4周后2小时血糖的下降值。试问治疗4周后，3组餐后2小时

6、血糖下降值的总体平均水平是否不同？,二、配对设计 把受试对象按照某些特征或条件配成对子，然后将每对中的两个实验对象分配到不同的处理组中。 配对的因素是影响实验效应的主要非实验因素。配对条件保证了非实验因素对不同实验组的干扰尽可能相同或相近，达到控制随机误差的目的，从而突出实验效应。,配对设计划分为以下3种： （1）同源配对设计 每对中的两个个体来源相同； （2）异源配对设计 自身条件（指最重要非实验因素）相近的2个受试对象进行配对； （3）自身配对设计 把观察对象接受处理前后观测到的同一个指标的两个数值配成对子，构成研究的样本。,分别从10例乳腺癌患者化疗前和化疗后1天的鸟样中测得尿清蛋白（ALb）的数据，试分析化疗是否对Alb的含量有影响。,配对设计实施中应注意： （1）配对设计可以最大限度地排除众多因素对实验的干扰，降低个体变异的水平，从而减少抽样误差。在同样的样本含量条件下，采用配对检验比两独立样本检验更容易获得有统计学意义的结果。 （2）采用配对设计，可以严格控制非实验因素，使组间具有齐同可比性。,（3）基于上述两项优点，在对比分析时，采用配对设计方法可以减少样本含量，是临床科

7、研中常用的一种高效率的设计方案。 （4）在实际工作中，配对条件不能过多、过严，否则，难以按要求将实验对象配成对子。 （5）自身配对实验只适用于短期对比的实验，不适用于长期观察分析。,三、配伍组设计 配伍设计是配对设计的扩展。 配对设计中将受试对象按1:1的比例组合，分别接受两种不同的处理； 配伍组设计中将受试对象按1:X比例组合，分别接受X+1种不同的处理。,3种抗癌药物筛选试验中，拟用18只小白鼠按体重相近归为一个区组，一共6个区组，每个区组有3只小白鼠。分别观察3种药物对小白鼠肉瘤的抑瘤效果（瘤重为测量指标），结果如下表。试对比3种药物的抑瘤效果。,配伍设计实施中应注意： （1）每个区组内有较好的同质性； （2）该设计均衡性好、随机误差减少，可以提高效率； （3）该设计不能分析交互作用； （4）如果一个观察组内的观察对象发生意外时，则只好放弃整个区组或采用缺项估计的方法进行统计分析。,四、交叉设计 是一种以自身为对照的研究设计，其特点是将试验时间分成不同阶段，同一实收对象在不同试验阶段先后接受不同处理，且不同组别的受试对象接受处理的顺序不同。,准备期,处理A,洗脱期,处理B,准备期

8、,处理B,洗脱期,处理A,AB顺序,BA顺序,图14.3 22交叉设计示意图,欲试验两种不同配方的减肥药物A药和B药，将患有肥胖症的30名患者随机等分为甲、乙两组，甲组前一个月服用A药，停药2个星期后，后一个月服用B药；乙组服药顺序相反。测定服药后受试对象体重下降值，试评价两种药物的减肥效果是否相同？,交叉设计实施中应注意： （1）该设计的基本前提是各处理方式之间不能相互影响，前一个试验阶段的处理效应不能传递到下一个试验阶段，即各处理终止后没有残留效应或各组处理的残留效应相等，两次处理之间必须安排洗脱期； （2）交叉试验重点分析实验因素各水平的差别和不同试验阶段的差别，并且假定实验因素、阶段因素和顺序因素之间不存在交互效应。 （3）此设计不适于病程过短或有自愈倾向的疾病治疗药物的研究。,五、拉丁方设计 是一种多因素试验设计的方法，是随机区组设计的直接推广，它是随机区组多一个方向局部控制的随机排列的设计，具有较高的精确性。 最初设计试验方案时，按拉丁方字母排列的方阵及其行和列来安排各因素的试验设计称为拉丁方设计。 拉丁方设计用于研究3个因素、因素间无交互作用且每个因素的水平数相同的情况。

9、,为研究5种药液对豚鼠甲状腺重量的影响，考虑到豚鼠的窝别和体重对甲状腺重量可能有一定的影响，设计实验时，希望将这2个重要的非实验因素被同时考虑。根据专业知识得知，这3个因素之间的交互作用可忽略不计，请选用合适的实验设计方案，并对所收集的资料进行统计分析。,六、析因设计 是一种多因素多水平交叉分组进行全面组合实验的设计方法。它可以研究两个或两个以上因素多水平的主效应，也可以研究各因素之间的交互作用，同时还可以找到最佳组合。,为了研究纯苯染毒与否和是否给予升高白细胞药物对大鼠吞噬指数的影响。某研究人员以0.3ml/kg剂量纯苯给大鼠皮下注射染毒，每周3次，经45天后，使实验动物白细胞总数下降至染毒前的50%左右，同时设置未染毒组。两组大鼠均按照是否给予升高白细胞药物分为给药组和不给药组，最后28只大鼠随机分配到4种实验组合中，每种组合7只，实验结果见表，试作统计分析。,7、重复测量设计 在生物医学研究中，常常对同一观察对象（人、动物、仪器）的同一测量指标在多个时点或条件下进行观察和测量，这种设计称为重复测量设计。重复测量设计同一受试者各时间点的测量值是高度相关的。,将20个肿瘤病人随机分为两组，A组接受联合方案低剂量化疗，B组接受单药大剂量化疗。每组各治疗10例病例，分别在化疗后1年、2年、3年进行生存质量测定，量表满分25分，试评价： （1）不同化疗方案的病人生存质量平均水平是否相同？ （2）患者的生存质量平均水平是否随着时间的变化而变化？ （3）每一时间点的两组患者生存质量总体均数之差是否随时间的变化而改变？,实施要点： （1）适用于观察测量指标在不同时间点上的动态变化过程，测量指标为数值变量资料。 （2）受试对象可按照实验目的设立处理组和对照组，分别检验研究者关心实验因素的主效应、时间因素的主效应、处理与时间的交互效应是否有统计学意义。 （3）一般不以实施处理前后的观察值改变量作为评价指标。 （4）重复进行各时间点组间差别的t检验，会增大假阳性错误的概率。 （5）测量时间间隔可以是等间距的，也可是不等距的。,在重复测量资料的分析中，要首先对协方差矩阵做球形检验，重复测量的各个时间点观察值的方差齐性不能满足，利用SPSS软件，可选用校正自由度的检验统计量及其对应的P值作出统计推断。,谢谢观赏！,

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