医学统计学：实验设计2

第二节实验设计的基本原则
在实验设计时，为更好地控制非处理因素对结果的影响，以较少的受试对象取得较为可靠的信息，达到经济高效的目的，必须遵循对照、随机化和重复的原则。

一、对照原则
在确定处理因素的试验组时，应同时设立对照组。

只有设立了对照才能较好地控制非处理因素对实验结果的影响，从而将处理因素的效应显示与分离出来，将效应归因于处理因素。

不设立对照往往会误将非处理因素产生的效应当成处理效应，从而得出错误的结论。

例如，研究某药物对上呼吸道感染的疗效，由于上呼吸道感染患者有自愈的倾向，如果没有设立对照，即使该药物没有效果或者疗效甚微，也可能得到疗效较好的结论。

设立对照应遵循均衡性原则。

均衡是指在设立对照时除给予的处理因素不同外，对照组和试验组的其他重要的、可控制的非处理因素应保持一致。

在整个实验过程中，对照组和试验组应始终处于同时同地，即应设立同期对照或平行对照。

尽量不要用以往的研究资料作为历史对照。

用符号表示如下：
T+S=e+s
式中T表示处理因素，S表示非处理因素，e表示实验效应，s表示S的影响结果。

实验效应e是与s混杂在一起的，实验设计的主要任务是如何使e能单独显示出来。

设立对照，使实验中两组或多组的S均衡，即S
=S2。

这样，实验
1
组T的效应e就可以显示出来了。

对照形式有多种，常有以下几种：
1. 安慰剂对照
安慰剂或称伪药物，是一种无药理作用的制剂，不含试验药物的有效成分，但其外观如剂型、大小、颜色、重量、气味及口味等都与试验药物一样，不能为受试对象所识别。

安慰剂对照的目的在于克服研究者、受试对象等由心理因素导致的偏倚。

安慰剂对照还可消除疾病自然进程的影响，分离出试验药物所引起的真正效应。

安慰剂的使用需慎重，应以不损害患者健康为前提，适用于研究的疾病尚无有效药物治疗或使用安慰剂后对该疾病病情、临床过程、预后无影响或不利影响小的情况，一般与盲法结合使用。

2. 空白对照
即对照组不接受任何处理，在动物实验和实验室方法研究中最常用，常用于评价测量方法的准确度，评价实验是否处于正常状态。

例如，在实验室中设置空白管并同时测定，以检测本底值。

在临床试验中，空白对照虽简单易行，但涉及伦理方面的问题，且实施过程中容易引起实验组与伦理组在心理上的差异，从而影响结果的可靠性，因此较少使用。

但空白对照可用于以下情况：
一是由于处理手段非常特殊，安慰剂盲法试验无法执行，或执行起来非常困难，如实验组为放射治疗或手术治疗等；
二是试验药物的不良反应非常特殊，以至于无法使研究者处于盲态，这时使用安慰剂对照意义不大，不如采用空白对照。

3. 实验对照
对照组不施加处理因素，但施加某种与处理因素有关的实验因素。

如研究膳食中强化铁预防缺铁性贫血的试验中，实验组儿童食用强化铁酱油烹饪的饭菜，对照组为普通酱油。

这里酱油是与处理因素有关的实验因素，两组除是否强化铁外，其他条件一致，这样才能显示和分析酱油中铁的作用。

4. 标准对照
用现有的标准方法或常规方法作为对照。

标准对照在临床试验中用得较多，因为很多情况下不给患者任何治疗是不道德的。

另外，在实验室中常用于某种新检验方法是否能代替传统方法的研究。

5. 自身对照
对照与实验在同一受试对象身上进行，如身体对称部位或实验前后两阶段分别接受不同的实验因素，一个为对照，一个为实验，比较其差异。

自身对照简单易行，使用广泛。

例如：研究不同进针法的静脉穿刺对血管组织的损伤，对大白兔一侧耳缘静脉采用针尖斜面向上进针法，另一侧耳朵的对称部位采用针尖斜面向左进针法。

又如，研究某减肥茶的效果，以服用前的体重作为对照。

但严格地说，这一设计使用的不是同期对照，若实验前后某些环境因素或自身因素发生了变化，并且可以影响实验结果，这种对照就难以说明问题。

因此，在实验中常常需要另外设立一个平行的对照，用实验组与对照组前后效应的差值来进行比极。

二、随机化原则
随机化是采用随机的方式，使每个受试对象都有同等的机会被抽取或分配到试验组和对照组。

随机化使大量难以控制的非处理因素在试验组和对照组中的影响相当，并归于实验误差之中。

随机化应贯穿于实验研究全过程，在受试对象的抽样、分组以及实验实施过程中均应遵循随机化原则，随机体现在如下三个方面：
①随机抽样
每个符合条件的受试对象被抽中的机会相等，即总体中每个个体都有相同的机会被抽到样本中来，它保证了所得样本有代表性。

②随机分配
每个受试对象被分配到各组的机会相等。

它保证了大量难以控制的非处理因素在对比组间尽可能均衡，以提高组间的可比性。

③试验顺序随机
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。

在实验设计中常通过随机数来实现随机化。

获得随机数的常用方法有三种：随机数字表、计算机的伪随机数发生器与随机排列表。

随机数字表常用于抽样研究及随机分组。

表内随机数字互相独立，无论横行、纵列或斜向等各种顺序均是随机的。

使用时可从任一个数字开始，可查单行、单列，双行、双列，也可以多行、多列，方向可向下或向上，亦可向左或向右。

伪随机数是由计算机产生的介于0-1之间的均匀分布的数字，若要得到0-99之间的随机数，将每个数乘以100，取整数即可。

随机排列表适用于分组排列等的随机化，用法比随机数字表更为简便。

当样本含量较少时，应用随机数字表往往会遇到奇数和偶数出现机会不等的现象，致使分到各组的研究对象数量出现较大差异。

应用随机化排列可避免这种现象。

下面分别介绍实验设计中常用的两种随机方法：完全随机化和分层随机化。

1. 完全随机化
完全随机化就是直接对受试对象进行随机化分组，分组后各组受试对象的例数不一定相等。

其具体步骤如下：
(1) 编号
将n个受试对象按一定顺序编号，如动物可按体重大小，患者可按就诊顺序等。

(2) 取随机数
可从随机数字表、计算机等获得。

每个受试对象的随机数可以是一位数，两位数或三位数，一般要求与n的位数相同。

(3) 确定组别
根据事先确定的规则，按照受试对象获得的随机数确定受试对象在哪一组。

分两组可按随机数的奇偶；分k组可按随机数除以k后的余数进行分组。

例14-1试将性别相同、体重相近的15只动物随机分到A、B、C三组。

现将动物按体重编号，再从随机数字表中任一行，如第16行最左端开始横向连续取15个两位数。

事先规定：将动物所得随机数除以3，余数0、1、2分别对应于A、B、C三组。

表14-1 15只动物完全随机分组的结果
分组结果为：第4, 6, 8, 14号供4只动物进入A组；第1, 9, 12, 13, 15号供5只动物进入B组；第2, 3, 5, 7, 10, 11号供6只动物进入C组。

2. 分层随机化
完全随机化虽然可以提高各组的均衡性，但并不能保证各组间一定达到良好的均衡性。

此时应先对可能影响实验过程和结果的主要混杂因素进行分层，然后在各层内进行完全随机化，称为分层随机化。

配对随机化和区组随机化可看成是分层随机化的实际应用。

下面以区组随机化为例介绍分层随机化的主要步骤：(1) 编号排序
将受试对象按照主要混杂因素相近的原则分层或区组，为同一层或区组内个体编号。

(2) 取随机数
可从随机数字表、计算机等获得。

每个受试对象的随机数可取两位数。

(3) 确定组别
根据事先确定的规则，按照每层受试对象获得的随机数确定受试对象在哪一组。

分两组可按随机数的奇偶；分k 组可按随机数除以k后的余数进行分组。

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区组因素，试作随机分配处理。

将40只小白鼠按体重由轻到重依次排序，依次每4个形成一个区组，并对每个区组内的小鼠编号。

任选随机数字，事先规定，每一区组中，将随机数字从小到大排序，序号1，2，3，4分别对应于四种剂量的A，B，C，D。

三、重复原则
重复是指在相同条件下进行多次实验或多次观察，以提高实验的可靠性和科学性。

重复包括三种情形：
(1) 整个实验的重复
它确保实验的重现性，从而提高实验的可靠性。

(2) 用多个受试对象进行重复
它避免了把个别情况误认为普遍情况，把偶然或巧合的现象当成必然的现象，将实验结果错误地推广到群体。

(3) 同一受试对象的重复观察
它保证了观察结果的精密度。

如血压连续测3次，以3次的均数作为最终结果。

从统计学而言，重复最主要的作用是估计变异的大小。

重复的另一作用就是降低变异的大小，以便在随机变异的背景中凸显实质性差异。