第九章 疾病研究的实验设计

第九章疾病研究的实验设计
根据高等医学院校培养目标的要求，应培养学生初具实验性研究疾病的能力。

因此，通过实验设计课的开设或通过学生自行设计的实验的实施，逐步培养学生进行实验设计的能力，对于提高教学质量来说是十分必要的。

实验设计是关于实验研究的计划和方案的制订，是对实验研究所涉及的各项基本问题的合理安排。

这里所说的实验设计，主要是指实验性研究中某个具体实验的专业设计。

实验设计是实验性研究的基本功，是实验过程的依据，是实验结果或数据处理的前提，是提高实验性研究质量的重要保证。

因此，做实验之前必须进行实验设计，并力求周密。

设计是否周密直接关系到实验结果的准确性和结论的可靠性。

不重视实验设计或设计不周密都会造成实验结果的缺失、影响分析，人力物力和时间的浪费，甚至导致实验失败。

病理生理学实验设计课的目的，是通过学生主动参与实验研究全过程，以了解医学实验的基本过程和基本要求；培养学生对所学知识的综合运用能力；提高学生提出问题、分析问题和解决问题的水平。

一、实验研究的基本程序
实验研究的基本程序包括立题、实验设计、预备实验及正式实验、实验资料的整理与统计分析、总结与撰写论文。

在此仅讨论实验设计前的立题和建立假说。

（一）立题：
立题即确定所要研究的课题，是科研中首要的问题，它具有战略意义，它决定着科研的主攻方向，它影响着科研的全局，包括研究的途经、采用的方法、仪器和药品的准备、方法学的准备、实验室建设以及人力物力的统筹安排，等等。

立题正确与否决定着实验的成败，也是实验设计的前提和基础。

立题的基本原则和要求是：课题要具有科学性、创造性、目的性和可行性。

特别是创造性和可行性的辩证统一。

1. 科学性：
立题是在前人科学理论和实验的基础上进行的，应符合科学规律，不应脱离科学规律作无根据的胡思乱想，要有充分的文献依据，有根据地提出实验目的和预期目标。

但是幻想是允许的。

科学幻想，也就是科学预见，它也是根据科学规律提出来的，也是符合科学规律的。

2. 创新性：
立题最贵创新性。

创新性是科学实验的灵魂。

从某种意义上讲，简单重复没有创新性的实验不能算作科学研究。

所谓创新性就是发现新的规律或现象（包括补充或修改前人发现的规律或现象），提出新的学说或见解（包括发展完善前人提出的学说或见解），设计、研制出国际首创的技术、方法、产品、工艺等，引进新技术有重大或较大的改进等等。

立题要有新意，首先要搜集大量的文献资料和实验资料并进行分析研究。

跟踪该研究领域的发展动向，明确前人及他人对本课题的有关问题已做的工作。

在对相关资料进行综合分析的基础上，创新性思维，找出所要解决问题的关键所在，最后确定研究课题。

学生实验设计中的选题虽不能达到如此高的要求，但必须在现有书本知识的基础上，经过自己独立地查阅资料和独立思考提出来，切忌照抄现有的书本或资料。

3. 目的性：
即立题的理论意义和实践意义。

要明确、具体地提出所要解决的问题，其内容不宜过多，题目不宜过大，要突出主题。

好的立题不但在理论上要发现新的规律或现象，提出新的学说或见解，而且在实践上要具有一定的经济效益或社会效益。

4. 可行性：
立题时一定要综合考虑学生自身的知识结构、技术水平和实验室条件，把课题的创新性和可行性有机地结合起来。

课题创新性再好，若脱离实际也无法进行。

但现实条件是人创造的，
不应坐等条件而应创造条件使创新性得以更好地发挥。

在实验设计课中学生应充分考虑教研室所提供的实验条件，以期自己设计的实验得以实施。

教研室也应尽量向学生提供所需的仪器、药品和材料等，供学生在实验设计时选用。

选题是实验设计中最关键的一步，学生应首先做好思想和理论准备，熟悉有关理论和查阅相关资料，主动接受教师的指导，进行逻辑思维和辩证思维活动：提出问题、分析问题和解决问题。

病理生理学实验研究的立题范围十分广泛，但对在校医学生而言，由于条件的限制，立题时不可盲目求多、大、全。

具体来说，可参考以下几个方面：①对原有教学实验的改进、深入或扩展；②建立一种疾病或病理过程的实验动物模型并评价该模型的指标；③可在教师提出的参考专题中发现问题提出问题，并验证；④某一因素在疾病发生发展中的作用；⑤对某种疾病或病理过程的新的治疗方法等。

（二）假说的建立：
一旦课题选定后，就要建立这个课题的假说。

所谓假说就是根据先前实践积累的印象、经验和知识，包括文献资料和学习访问中获得的间接知识，大体分析对象的内部联系，提出对该问题的可能答案或解释。

这种预先假定的答案或解释，就叫假说。

简单地说，就是实验原理和预期结果。

假说是课题研究重要的思想理论准备。

有了假说，实验设计就更具有目的性、计划性和预见性，在实验中就更能发挥实验者的主观能动性。

如果不建立假说，无任何理论想法，实验和观察将无所适从。

因此学生在实验设计中必须提出自己课题的假说，即实验原理和预期结果。

要建立科学假说，一要详细地占有材料，即：古今中外的资料和论点，本人先前的实践和认识；二要进行创造性的思维活动。

有时还需要做一些探索性实验。

假说形成后就要努力验证假说，在假说的指引下，合理地安排实验中各项基本问题。

有了假说就有了推动力，实际上大多数实验的目的就在于验证假说是否正确。

但是假说只是一种科学预见和主观推测，并不等于客观事实本身，决不能把假说变成主观臆断，变成实验中实验者的主观偏见。

对待假说应有一个科学态度：既要努力验证正确的假说，使之上升为结论、原理和学说；又要适时地抛弃错误的假说，重新建立新的假说，并为验证新的假说而努力。

二、实验设计的意义
（一）实验设计是提高科研成果质量的重要保证：
实验设计是科学研究计划内关于研究方法与步骤的一项内容。

在医学科研工作中，无论实验室研究、临床疗效观察或现场调查，在制订研究计划时，都应根据实验的目的和条例，结合统计学的要求，针对实验的全过程，认真考虑实验设计问题。

一个周密而完善的实验设计，能合理地安排各种实验因素，严格地控制实验误差，从而用较少的人力、物力和时间，最大限度地获得丰富而可靠的资料。

反之，如果实验设计存在着缺点，就可能造成不应有的浪费，且足以减损研究结果的价值。

可见，实验设计是实验过程的依据，是实验数据处理的前提，也是提高科研成果质量的一个重要保证。

（二）实验设计是科研实践的前题：
刘大椿在《科学活动论》中提出“是否有眼力，主要看选题；是否有能力，主要看构思”的思想。

所谓构思，就是实验设计，实验设计是指实验者实施实验之前，根据一定的实验目的和要求，运用有关知识和技能，对实验的方法、仪器、装置、步骤在头脑中所进行的一种规划，通过实验设计并进行实践的过程，实质是一个问题解决的过程。

科研设计是根据课题的性质选择最佳设计方案，同时也要结合具体的条件使方案具有可行性。

科研课题确定以后，能否取得满意的科研成果及达到预期的目标，在很大程度上取决于科研设计。

科研设计就是制定课题研究的技术方案和计划实施方案，它是整个研究工作的蓝图，集中体现了课题研究人员的设想和构思。

（三）实验设计在教学中的重要意义，具体表现在以下几个方面：
1. 在学生参与实验设计的过程中，可以激发学习兴趣，启发学生主动地学习。

2. 学生积极地参与实验问题解决的过程，可以培养他们的自信，激发他们的学习热情，以及增进对实验内容的认知与理解。

3. 最重要的是，实验设计需要学生灵活地和创造性地运用所学的基础知识和基本技能，因而可以培养他们解决问题的能力和创造能力。

同时，实验设计还需要学生掌握各种科学方法，使他们懂得如何鉴别问题，提出问题，找到最优的解决途径；要求学生具有严肃认真，一丝不苟和敢于创新的精神，这对他们日后无论从事何种工作，以及对于他们的生活都将是有益的。

三、实验设计的基本要素
要想使科研设计达到直观，明晰，必须明确科研设计的基本要素。

任何一项研究总要包括受试对象，处理因素，观察指标或效应指标三个基本要素。

下面对受试对象，处理因素，效应指标的要领及要求作一简要介绍。

（一）受试对象：
受试对象是指接受实验的动物或人，亦称实验对象、研究对象或观察对象。

受试对象的选择非常重要，它对实验结果有着极为重要的影响，受试对象的选择合适与否，对实验成败是很关键的。

如果进行动物实验，对实验动物的基本要求是：对拟施加的处理因素反应敏感，反应稳定，尽可能近似于人，并且经济可行，容易获得。

特殊要求是健康合格、种属一致、品系相同，年龄、窝别、体重差别不大，性别要求雌雄各半或同一性别。

如研究对象为人，则应注意病人和正常人的正确区分，诊断要明确，受试对象依从性要好等。

（二）处理因素：
又称研究因素。

就是为了不同的研究目的，给研究对象施加物理的、化学的或生物的各种条件被称为处理因素。

在科学研究中，任何实验效应都是多因素作用的结果，我们要抓住主要的、关键性的几个因素。

确定处理因素时应注意：
1. 抓住实（试）验中的主要因素。

2. 确定和控制非处理因素。

3. 处理因素要标准化。

（三）实验效应指标：
处理因素作用于受试对象所显示出的结果被称为效应。

为了具体、准确地反映出实验效应，就必然需要使用效应指标。

指标不仅可以用来揭示实验观察对象的某些特征，也可以用来判断某些特定现象或事实的依据与标准。

在医学研究中，不论那种类型的研究，要探索的因素必须通过具体的指标反映出来。

应注意：
1. 正确选用观察指标来反映实验效应。

所选指标要灵敏、精确、客观，最好选用定量指标。

2. 指标观察时应避免偏性，可采用盲法。

四、实验设计的基本原则和方法
明确并遵照实验设计的基本原则是实施科研实践的重要保证。

实验设计有属于专业方面的，有属于统计方面的。

（一）基本原则：
从统计方面说，主要应当考虑对照、重复、随机化、均衡等问题，这就是所谓实验设计的四原则。

1. 对照的原则：
就是确定实验中相互比较的实验组和对照组，对各组给予不同的处理，然后观察其效应。

对照的基本要求是除实验因素作有计划的变化外，对照组与实验组其它条件保持一致，常用
的对照有：空白对照、安慰剂对照、标准对照、实验对照、自身对照和历史对照等。

对照的意义在于通过它消除和减少实验误差。

在医学研究中，除了正常解剖生理数据的调查以外，都要有对照。

2. 重复的原则：
重复是保证科研成果可靠性的重要措施之一。

重复有两层含义，一是指实验过程是多次重复进行的，要做到这一点与实验的样本大小有关，样本大重复的机会多，样本小重复的机会少。

二是设计中提出的方法，别人也能重复进行。

同时，根据每个具体研究，可有不同的方法来进行样本含量估计。

在实验研究中对样本含量的要求是既要保证实验结果可靠又要避免不必要的浪费，这就要求实验单位具有较好的同质性，精选的小样本优于庞大的大样本，设计样本含量时各组数量最好相等。

3. 随机化的原则：
就是被研究的对象样本是从总体中任意抽取的，抽取时每个观察单位都有相等机会被抽取。

即应保证每个实验对象都有同等机会进入实验或接受某种处理，以抵消非实验因素对实验结果的影响。

常用的随机化法有抽签法、抓阄法、扔硬币法、随机数字表和随机排列表等。

具体使用那种方法，应根据实际情况来定。

随机化是保证均衡性的重要手段。

4. 均衡的原则：
就是要求实验对象，除了要观察某种实验因素外，其他一切条件应该尽可能均衡一致，以消除非实验因素对实验的影响。

医学科研设计是整个研究工作的一个极其重要的组成部分，一项科研工作的成败，科研设计的质量，是一个重要因素，它与科学研究的整个过程密切相关，它不仅是研究工作开始的先导，也是整个研究过程的依据和结果处理的一个先决条件，因此，任何一个科研项目，一切科研活动都应严格遵循科研工作的基本程序有条不紊的进行，都应明确设计的基本要求，按照设计的基本原则作好科研设计，才能保证设计的科学性，才能获得理想的科研成果。

（二）基本方法
1. 完全随机设计：
将实验对象随机分配至两个或多个处理组去进行实验观察，又称单因素设计、成组设计。

优点：操作简单，应用广泛。

缺点：效率低，只能分析单因素的效应。

资料处理方法：t 、u 检验，方差分析，秩和检验，卡方检验等。

2. 配对（伍）设计：
将受试对象配成对子或配伍组，以消除非实验因素的影响。

配伍设计又称随机区组设计。

配对有自身配对和不同个体配对，配伍实际上是配对的推广。

优点：所需样本数和效率均高于成组设计，而且很好地控制了混杂因素的作用。

缺点：配对条件不易满足。

资料处理方法：配对t 、u 检验，秩和检验，配伍组方差分析，配对四格表卡方检验等。

3. 其它实验设计方法：
（1 ）交叉设计：在配对设计基础上再加入时间因素，可分析不同阶段的效应。

（2 ）析因设计、拉丁方设计和正交设计等。

五、对照和分组
一般来说，实验都应当有实验组和对照组。

对照组与实验组具有同等重要的意义。

这是因为在实验中很难避免非实验因素的干扰而造成的误差，用对照组的方法就可有效地消除各种非实验因素的干扰而造成的误差。

从某种意义上来说，对照组比实验组更重要，因为“有比较才能有鉴别”，没有对照组，实验组则完全失去意义。

因此，医学实验中不但应设对照组，而且要设立对照鲜明的对照组。

（一）对照的种类：
1. 同体对照：即同一动物实验前后实验结果及数据的对照。

2. 异体对照：即设立对照组，与实验组相对照。

3. 空白对照与实验对照：空白对照是指不给任何处理的对照，实验对照是采用与实验组操作条件相同的对照措施，称实验对照，如假手术等。

4. 标准对照：以标准或正常值作为对照。

5. 配对对照：它包括同源配对和异体配对。

前者指同一个体前后不同时间比较对照期和实验期结果的差异，或同一个体左右两部分作对照处理和实验处理的差异，由于是在同一个体进行实验，可最大限度地减少抽样误差。

后者是指实验对象按某些相似性质或条件（如同窝动物等）进行配对，然后随机分给对照组和实验组。

配对动物除实验因素外各方面都力求一致。

（二）实验组与对照组应遵循的原则：
1. 一致性原则：两组只允许被研究动因不同，而实验对象、实验者、实验条件、实验仪器、药品和试剂等各个方面都力求一致。

只有这样，才能消除实验误差。

2. 两组例数相等或相近似的原则：在计数指标，每组不应少于30 例；在测量指标每组不应少于5 例，10~20 例较好。

切忌随意减少对照组的例数。

3. 随机抽样的原则：为避免主观偏性的干扰，分组时应采用随机抽样的方法。

（三）实验对照常见的失误：
在实验性研究中常见的失误之一就是忽视对照或对照不严格。

如：①无对照；②无对照意义的对照；③先做实验后补对照；④对照的质和量不足；⑤对照不严格，在对照组或实验组操作和观测时出现主观偏性，等等。

⑥在同体实验前后对照时往往忽视时间（和在期间的操作等）对机体生理活动的影响。

如用同体对照，最好同时用异体平行对照，以消除时间因素的影响。

六、实验设计的基本内容
（一）拟定相互比较的处理：
所谓处理，指的是在实验研究中欲施加给受试对象的某些因素。

如营养实验的各种饲料，治疗某病的几种疗法或药物，药理研究中某药的各种剂量等。

在实验的全过程中，处理因素要始终如一保持不变，按一个标准进行实验。

如果实验的处理因素是药物，那么药物的成份、含量、出厂批号等必须保持不变。

如果实验的处理因素是手术，那么就不能开始时不熟练，而应该在实验之前使熟练程度稳定一致。

（二）确定实验对象及数量：
指实验所用的动物或活体组织标本等。

在实验设计中，要根据实验观察的目的与内容，明确规定采用什么样的实验对象，实验对象中的每个实验单位必须具备的条件与要求，以保证受试对象的一致性。

实验对象需要有一定的数量，例数不能太少，也不宜过多。

（三）确定将各实验单位分配到各种处理中去的原则：主要是随机分配或随机化问题。

（四）拟定观察项目和登记表：
根据研究目的和任务，选择对说明实验结论最有意义，并具有一定特异性、灵敏性、客观性的观察项目。

必要的项目不可遗漏，数据资料应当完整无缺；而无关紧要的项目就不必设立，以免耗费人力物力，拖延整个实验的时间，尔后，要按照观察项目之间的逻辑关系与顺序，编制便于填写和统计的登记表，以便随时记录实验过程中获得的数据资料。

同一项目的度量衡单位必须统一符号（如+ 、++ 、+++ 等），应有明确的定义。

（五）拟定对资料整理分析的预案：
就是对将获得的数据资料准备如何进行整理？要计算哪些统计指标？用什么统计分析方法？事先必须有个初步的设想。

例如对计数资料，是计算率还是百分比？若计算率，分子是
什么？分母是什么？各组同一项目的某个率或百分比如何进行比较？又如对计量资料，是计算算术均数、几何均数还是中位数？同一项目各均数间应采用什么方法作比较？切忌实验设计时不认真考虑，实验过后拿数字去找统计方法。

七、实验对象的选择和动物疾病模型的设计原则
疾病实验性研究中，实验对象既可用病人也可用疾病模型。

（一）病人：
由于无损伤技术、遥测遥控技术及微量和超微量技术的发展，使得直接在病人身上进行实验性研究成为可能，如太空失重对人体器官功能的影响、心血管疾患时心功能变化的研究等等。

患病人体的实验性研究的最大优点就是排除种属差异，其所获结果可直接应用于临床。

但其缺点是：实验方法受到限制，实验条件难以控制。

目前只适用于少数疾病或病例。

随着科学技术的发展，选用病人作为实验对象将展现广阔的前景。

（二）疾病模型：是病理生理学研究最常用的方法。

1. 模型的概念和意义：
模拟（analog ）是重要的方法，它是指复制和重现研究对象在一定条件下的某些性质或行为，从而获得其信息的过程。

这是在某些理论或假说的基础上，通过建立与研究对象有某些相似关系的系统来实现的。

被模拟的对象叫做原型，而与原型有某种相似关系的系统叫做模型。

模型有两个基本特征：一是与研究对象（原型）存在某种确定的相似关系；二是通过对模型的研究（间接试验）能获得关于研究对象有意义的信息。

模型并非与原型全同，在模拟过程中，对原型作某些简化，从而建立只保留原型的部分性质或行为特征的简化模型，便于抓住主要矛盾，化繁为简、化难为易，获得有益的结果。

模型可分为物理模型和数字模型。

动物模型属于广义的物理模型。

2. 疾病模型的种类：
人类疾病模型一般常用者有：①人类疾病的动物模型，这是在疾病实验性研究中最常用的模型。

②离体的器官和组织，如离体心、离体子宫、离体肠管、离体气管等。

③细胞株，近年来在研究人类疾病时也常用人类细胞株。

如研究癌症时，常用各种人类癌细胞，研究动脉粥样硬化时应用动脉壁平滑肌细胞等。

人类细胞的优点是：它本身就是人类细胞（相似性好）；因为它是同种细胞分裂增殖而得，因此种的纯度高；特别是单克隆细胞株建立以来，提供了基因型全同的人类细胞，为研究人类疾病和抗疾病措施创造了极为有利的条件。

用人类细胞进行实验，实验条件可以严格控制，可恒温、可精细和动态观察等等。

但它的缺点是离体的人类细胞，其所得的结论尚不能完全代表整体，尚需与整体实验所得的结果互相印证，才能得出完整的结论。

④数学模型，这是把数学运算引入模拟，把模拟定量化，这是近来迅速发展的一种模型。

3. 人类疾病动物模型的设计原则：
人类疾病的动物模型是最常用的疾病模型之一。

与病人相比，动物模型有可任意复制、实验条件易控制等优点，但也有和人类具有种属差异的缺点，其所得的结论并不能直接应于临床，还需进行临床验证。

在复制人类疾病动物模型时也需要遵循模型共同的原则和要求，一个模型或一个好的模型必须符合下列要求：
①相似性：这是模型的最基本要求。

无相似性就不叫模型，相似性差就不是一个好的模型。

在选择模型时尽量选用动物自发性疾病，如大白鼠原发性高血压病、小鼠自发性肝癌等，它们相似性好，但自发性疾病往往有发病迟，发病时期不集中，发病率不高等缺点，所以不常用来作为研究材料。

②重现性：模型应在一定条件下可重现。

若一个模型难以重现，就不宜作为应用的模型。

因。