第12章 实验设计

12 实验设计

中山大学公共卫生学院 医学统计学与流行病学系 骆福添

★ 前面学过变量的统计分析方法，例如： t S t x S x f

x

a ± ± 可简称数据分析方法。数据怎么来的 ？？

12.1 实验设计的概念

【例】1987 年某产科医师为研究胎次与儿童智力的关系，收集病案资料（考上大学

人数） ：第一胎 19 人、第二胎 18 人、第三胎 10人、第四胎 7 人、第五胎 4 人。由 此得出结论：智力与胎次有关，胎次愈多智力愈差，第一胎智力最好。？？ 科研设计就是制订科研工作计划

科研设计包括专业设计和统计设计两部分 (高血压病因)

为制订好统计设计-搜集数据的计划，有必要回顾一下统计学要点（附件） 统计设计类型：

· 实验研究 因®果。动物实验证实病因/效应，如启东肝癌动物实验。正向推理

· 临床试验 因®果。临床观察验证/探索[n 小或回顾]，如新药"A 脂"降脂。正向推理 · 调查研究 果®因。疾病分布探索病因，如中山NPC 病因。逆推理（置信度）

【例】某研究所有这样一个研究目的：希望考察“A 脂”的降血脂的疗效。拟选择 40 只 小鼠作为实验研究对象，考察 A 脂（用 20 只小鼠）与公认有效的降血脂药物“洛伐 他丁”（用 20 只小鼠）降低血脂的疗效之间的差别是否有统计学意义，以 LDL（低 密度脂蛋白）为评价疗效的主要指标。具体实施方法如下：

· 根据预实验和前人的经验，获得关于估计动物只数所需要的基本信息，并估算出每 个药物组所需要的最低小鼠数为 20 只，两个药物组共需要 40 只小鼠；先将小鼠喂 以高脂饮食，使其达到高脂血症状态（称为造模），待造模成功（即指标 LDL 高于 某特定数值）后，采取非人为的方法（即随机化法）将 40 只小鼠均分入 A 脂组和 洛伐他丁组，分别服用相应药物一段时间（药物有规定的剂量和用法），测出每只 小鼠 LDL 值的改变量（即用药前的 LDL 值减去用药后的 LDL 值）。选用适当的统计 分析方法分析两组小鼠的 LDL 改变值， 从而得出关于两种药物疗效之间差别是否具 有统计学意义的结论。若两种药物疗效之间的差别无统计学意义，仅从降血脂的疗 效角度看，可以初步认为：能用新药“A 脂”取代现在公认的降血脂药物“洛伐他丁”。 主要内容：

（1）选择什么作为受试对象（本例为小鼠）； （2） 如何确定样本含量 （应按已知条件和设计类型估计合适的样本含量， 本例 N=40）； （3）如何设立合适的对照组（本例以洛伐他丁药物为对照药）； （4）确定拟考察的实验因素（本例为药物的种类，即 A 脂与洛伐他丁）； （5）确定实验效应（本例通过测定血脂指标 LDL 的改变值来反映药物的疗效）； （6）采取科学的方法对受试对象分组进行分组，通常是完全随机化方法（即非人为 因素影响的分组方法）；

（7）确定合适的实验设计类型（本例将受试对象随机分为两组，称为成组设计）。 · 从这些内容中可以提炼出构建实验设计的三大支柱： 实验设计的三要素 （受试对象、 实验因素、实验效应）、实验设计的四原则（随机、对照、重复、均衡）和实验设 计类型。

12.2 实验设计的三要素

·“要素”即关键

，缺一便不成为研究

Luo Nov­08： 【例】黑米皮 对家兔 动脉粥样硬化的抑制作用。

（因素） （对象） （效应）

12.2.2 实验因素

· 处理因素：根据研究目的确定的欲施加或欲观察的因素，简称处理或因素(factor) · 实验性∕观察性：施加的或客观存在的(如婴儿母乳喂养) · 处理∕协变∕混杂： Luo Nov­08： 观察项目 作用类别 统计分类 黑米皮、白米皮、对照 外加因素 研究因素、处理因素（3 水平） 性别、体重 内在因素 混杂因素、协变量 进食量 偶然因素 协变因素、协变量 处理因素：研究的主要因素

协变因素：影响处理因素效应的因素（协同效应）

混杂因素：一是非研究因素（早有定论，如年龄、性别等）

二是确实有作用（不均衡，目测判断∕P<0.05）

·要求：

(1)分清处理因素和混杂因素 (2)保持处理因素恒定不变

(3)尽量用单因素设计（控制／均衡 协变因素）

12.2.1 受试对象

2010-10-30 羊城晚报：2006 年起,河南省平顶山市将“幸福指数”作为考核官员的指 标。《河南商报》11 月 29 日报道平顶山市统计局长说“幸福指数高并不代表每个公 民就幸福了，这只是通过统计学来测量一个地方的社会综合发展状况” ，…“把所有 个体感受都加进来，都没法做指数了。 ”

· 受试对象：或称研究对象是处理因素作用的客体，是根据研究目的确定的研究总体 · 对象选择：

（1）个体：动物、个人、器官（眼） （组织、细胞、分子－常忽略误差） （2）标准： （动物模型/人体）

适应症：病种、病情、病程 (大范围)

纳入标准：同质性，反映平均效应 （年龄、志愿、总分） 排除标准：禁忌症，保证安全性 （孕妇、器质性病变）

剔除标准：误纳、新发禁忌症、信息缺乏（年龄虚报、新近怀孕、从未复诊）

12.2.2与12.2.1位置对调

12.2.3 实验效应

· 实验效应：是处理因素作用于受试对象的反应(response)和结局(outcome)· 效应指标：要求

(1)客观性：效应指标要观指标，主观指标要数量化

(2)精确性：包括准确度和精密度

(3)特异性和灵敏性：

特异度＝真阴性 (贫血↔HB)

灵敏度＝真阳性 (贫血↔HB)

(4)指标的观察：要避免偏倚，必须盲法（ “面子疗效” ）

12.3 实验设计的四原则

·“原则”即规则，违规使研究结果偏性（还算“研究”）

· 必须遵循的原则：对照、均衡、随机、重复

12.3.1 对照原则

· 对照作用：分离处理效应（如小鼠毒物实验）

· 对照要求：应满足均衡性（后述）

· 对照种类：

(1)空白对照：对照组无任何处理（非盲）

(2)标准对照：常规、参考值

(3)自身对照：前后对比、左右对比

(4)相互对照：不同处理组之间

(5)实验对照：对照组常规处理，实验组附加因素

(6)历史对照：历史上同类（同一）研究作为对照

12.3.4 均衡原则

• 均衡是指各处理组的协变量“齐同”∕一致，使样本有代表性

• 设计时：对均衡性提出要求

（1）差值限度：如年龄平均差　2 岁，性别构成差　10%

（2）检验水准：如规定双侧检验、检验水准　=0.20

• 分析时：对均衡性进行核查

（1）描述：所有资料，要对组间均衡性作统计描述

（2）检验：对于很大的样本，可作假设检验

12.3.3 随机原则

· 随机：即“公平”，使每个受试对象有同等的机会被抽取或分到不同的组· 随机是手段、均衡和代表性是目的

· 随机≠随便，任何随便都不是随机的

· 随机方式：

(1)随机抽样：每个个体都有相同机会被抽中