第四讲医学实验设计原则与方法

文章编号： １０００－ ４９５５（ ２００５） ０４－ ０４７２－ ０２
实 验 设 计 的 思 想 由 Ｒ．Ａ． Ｆｉｓｈｅｒ 创 立 。２０ 世 纪 初 ， Ｆｉｓｈｅｒ 在 Ｒｏｔｈａｍｓｔｅｄ 农 业 站 工 作 的 １４ 年 中 （ １９１９ ～１９３３） ， 最 先 接 触到的一大批数据（ 用同一方式施肥达 ６０ 年的 １３ 块田地的 日降水量及年收获量） 被他称为在＂粪堆上受罪＂， 当时 Ｆｉｓｈｅｒ 很快被引入到这样一个问题， 即如何进行实验才能够得到课 题的明确答案？ 正是从这批有严重缺陷的数据中产生了最重 要的结果— ——实验设计的发明。Ｆｉｓｈｅｒ 提出了随机化、重复试 验 和 区 组 等 思 想 ， 并 于 １９２１ 年 出 版 了《Ｓｔａｔｉｓｔｉｃａｌ ｍｅｔｈｏｄｓ ｆｏｒ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｗｏｒｋｅｒｓ》一书。１０ 年后这些思 想 被 用 到 了 生 物 医 学 实验中。
实现随机化的方法有很多， 但以利用随机数字表和计算 机产生随机数进行编程的方法最为规范。在动物实验中， 由 于例数相对较少， 为方便进行可采用查随机数字表的方法； 临床或现场干预试验规模大， 最好采用计算机编程或使用现 成软件的方法， 一般由统计专业人员协助完成。 １．３ 重复原 则 ： 单 个 个 体 的 试 验 具 有 一 定 的 偶 然 性 ， 也 无 法 估计抽样误差。不可否认， 一些典型的个案是非常有意义的， 因为只有在详细、定性描述的基础上， 才能进行统计学工作。 但是由于生物个体的变异性， 如果需要揭示和表现医学中一 些特有的规律， 则必须有一定的样本量。对一项具体研究而 言， 样本量究竟需要多少？ 这是实际中常遇到的问题。样本量 太少， 处理效应被自身变异所遮掩， 无法表现出来； 样本量过 大， 会造成不必要的浪费， 甚至难以完成， 因此要正确地估计 实验所需要的样本量。 ２ 实验设计的基本内容 ２．１ 确定研究项目（ 处理因素） ： 研究项目与要解决的问题有 着密切的联系， 应根据不同问题建立所要验证的各种假设。 研究项目有探索性和验证性两种， 探索性项目一般是动物实 验或早期临床试验， 研究目的并不一定是对预先提出的假设 进行简单检验， 可采用灵活可变的方法进行设计； 验证性研 究多限于临床和现场的干预研究， 主要是对提出的假设提供 坚实的论据， 应坚持按照试验方案及标准操作步骤进行， 对 实验设计的要求较高， 而且试验的主要方面（ 包括质量控制 和统计分析） 须在研究方案中陈述。项目的选择对科研水平 有决定性的意义， 应保证最低目标能够实现。 ２．２ 拟定观察指标（ 变量） ： 应尽量选择对说明处理效果最有 意义， 并具有一定特异性、灵敏性、客观性的观察指标。观察
临床试验需要分期进行， 不同试验期所需要的样本量不 同 ： Ⅰ期 试 验 可 以 在 ２０ 例 以 下 ， 一 般 选 用 正 常 人 ， 主 要 分 析 药代动力学和人体对药物的耐受情况； Ⅱ期主要是探索性试 验， 对药物或营养品的效果和安全性做初步的研究， 一般要 求 在 １００ 例 以 上 ， 可 以 设 对 照 组 ； Ⅲ期 是 对 疗 效 和 安 全 性 的 验 证 性 试 验 ， 要 求 在 ３００ 例 以 上 ， 同 时 必 须 设 置 至 少 １００ 例 的对照组。 ２．４ 设计类型 及 分 析 方 案 ： 同 一 项 研 究 可 有 多 种 设 计 方 案 ， 如 何 选 择 可 根 据 处 理 因 素 的 多 少 结 合 实 际 情 况 决 定 。具 体 可 以从三个方面考虑： ①采用序贯方法还是固定样本数的方 法； ②如何分配受试对象进入试验组和对照组（ 选择设计模 型） ； ③如何进行统计学分析。 ３ 常用实验设计方法 ３．１ 完全 随 机 设 计 ： 将 受 试 对 象 编 号 后 随 机 分 配 到 两 组 或 多组， 然后给予不同的处理。这种设计的假设与其他设计相 比要简单得多， 易于操作， 统计分析也较简单， 是实际中最常 用的实验设计方法； 缺点是组内误差较大， 在个体变异较大 而样本量又较小的情况下， 各组的非处理因素分布不易均
如何做实验很有学问， 例如一个 ８ 因素 ３ 水平的抗生素 培 养 基 试 验 ， 有 ３８ ＝ ６ ５６１ 种 组 合 ， 按 照 析 因 设 计 每 种 组 合 至少重复一次， 需要做 ６ ５６１ ×２ ＝ １３ １２２ 次试验， 而用正交 设计则只需 ２７ 次试验。另外， 医学实验不同于一般的理化实 验， 实验的结果最终要用到人身上， 如果结果出现错误， 可能 会对人 体 造 成 伤 害 。１９６２ 年 美 国 明 尼 苏 达 医 院 的 外 科 教 授 Ｗａｇｅｎｓｔｅｅｎ 根 据 动 物 实 验 结 果 认 为 ， 将 胃 冷 冻 在 － １０ ～－ ５ ℃能 明 显 减 少 胃 酸 分 泌 ， 相 当 于 胃 切 除 手 术 ， 随 后 在 对 ２４ 名胃溃疡病人进行胃冷冻的治疗过程中， 多数病人症状改 善、溃疡愈合， 由此做出了肯定胃冷冻方法的结论， 并在学术 会上进行报告。该治疗方法曾风行一时， 先后制造胃冷冻机 ２ ５００ 台 ， 治 疗 上 万 人 ， 但 最 终 却 被 正 确 的 临 床 试 验 所 否 定 。 实际工作中， 要高效、合理地安排实验， 最大限度地获得资料 并不简单， 需要弄清楚有关实验的目的和全部想法。 １ 实验设计的基本原则 １．１ 对照原则 ： 处 理 与 非 处 理 之 间 要 有 一 个 科 学 的 对 比 ， 如 治疗老年慢性支气管炎， 患者从二月份开始连续服药， 半年 后多数患者的各种症状明显减轻， 究竟是药物的作用还是由 于气候转暖的原因呢？ 在实验中如果没有其他条件相似的对 照组， 很难肯定实验药物的作用， 即使是安慰剂， 也可能会出 现一定的疗效。１９５０ 年 Ｂｅｓｔ 发表了下述的研究结果： 有人用 Ｘ 线照射脑垂体治疗高血压， 得 到 了 良 好 的 效 果 ， Ｂｅｓｔ 为 了 验证这一结果， 将高血压患者随机分为两组， 实验组 ２５ 人采 用 Ｘ 线照射脑垂体进行治疗， 对照组 １８ 人采用假照射， 结果 治疗组的改善率为 ６８．０％， 对照组的改善率为 ７７．８％， 从而说 明高血压的改善并不是由于照射 Ｘ 线的结果。
衡， 降低了结果的可靠性。当实验组与对照组不均衡时， 可以 采用协方差分析方法。 ３．２ 配对 或 随 机 配 伍 组 设 计 ： 将 实 验 个 体 按 照 条 件 相 近 的 原则组成对子或配伍组（ 如同一窝别的动物） ， 再将不同的处 理按不同的方式随机安排在不同组内， 使结果的比较变成组 内比较， 从而减少了实验误差。与完全随机设计相比， 配伍组 设计能进一步保证非处理因素在各处理组中分布均衡， 并将 配伍组的影响在方差分析时从组内误差项中分解出来， 减少 了误差均方， 使处理组间的 Ｆ 值更容易出现显著性。 ３．３ 析因设计 ： 是 一 种 多 因 素 实 验 设 计 方 法 ， 即 通 过 处 理 的 不同组合， 对两个或多个处理因素同时进行评价， 一般要求 每 种 处 理 的 例 数 相 同 。这 种 设 计 适 合 同 时 对 多 个 处 理 因 素 的 效应进行研究， 尤其各种因素的相互影响（ 交互作用） 。最简 单的是 ２ ×２ 析因设计， 即有两个因素（ Ａ 和 Ｂ） ， 每个因素各 有两个水平， 组合起来共有 ４ 种不同处理。分析的基本思路 是 进 行 变 异 分 解 ， ＳＳ 总＝ ＳＳＡ ＋ ＳＳＢ ＋ ＳＳＡ×Ｂ ＋ ＳＳ 误 差， 其 中 ＳＳＡ×Ｂ 表示 Ａ 和 Ｂ 两个因素的交互效应， 算出各项均方与误差均 方的比值 Ｆ， 由此判断其显著性。 ３．４ 正交设计 ： 析 因 设 计 是 各 因 素 不 同 水 平 的 全 面 组 合 ， 当 因素较多时（ 如超过 ４） ， 由于组合产生的处理数急剧增加而 难以实现， 此时采用正交设计方法可以明显减少样本量。正 交设计需要利用规范的正交表 （ 可以在一些工具表中查到， 也可以利用现成的统计软件如 ＳＰＳＳ 来获得） ， 结果的统计分 析 也 需 要 依 据 正 交 表 进 行 。正 交 设 计 与 析 因 设 计 的 统 计 分 析 方法基本相同， 可以筛选出不同因素和水平的最佳组合， 但 只能对部分交互作用进行分析。 ３．５ 重复 测 量 设 计 ： 重 复 测 量 通 常 指 某 一 项 指 标 在 不 同 时 点进行多次测量， 例如比较两种药物治疗高血压的效果， 治 疗过程中 ０ ～８ 周重复测量 ９ 次血压， 如果在统计分析时只 分析最后一次测量结果， 将会丧失很多过程信息， 比如测量 指 标 的 时 间 变 化 趋 势 、药 物 在 血 中 达 到 的 最 大 浓 度 、治 疗 效 果的时间作用等。重复测量设计在实际工作中经常遇到， 科 研论文中这类数据的统计分析和表达误用的情况极为严重， 主要表现在对各时点的测量结果进行多次 ｔ 检验或方差分 析， 增大了假阳性错误， 对此应利用各种统计软件提供的分 析工具做重复测量方差分析。 ３．６ 其他设计 ： 除 上 述 常 用 的 设 计 方 法 外 ， 科 研 中 还 有 交 叉 设 计 、拉 丁 方 设 计 、序 贯 设 计 ， 以 及 裂 区 设 计 、不 完 全 析 因 设 计 、嵌 套 设 计 、平 衡 不 完 全 配 伍 组 设 计 、均 匀 设 计 等 复 杂 实 验 设计方法。对于一些重要的实验， 研究者应一开始就与生物 统计专业人员合作共同做好研究设计。
对照的设立主要要求均衡性要好， 即除研究的处理因素 外， 其他实验条件应尽可能的一致。对照有多种形式， 如外部
作者单位： １５００８６ 哈尔滨医科大学医学统计学教研室 作者简介： 李康（ １９５７－ ） ， 男， 黑龙江省哈尔滨市人， 博士， 教授， 博士生导师， 主要从事医学统计学方法与应用研究
对照（ 早些时候记录良好的观察对象） 、历史对照、自身对照、 平行组对照等。平行组对照在实际中采用得最多， 它既可以 是阳性或安慰剂对照， 也可以是量效平行对照； 外部对照和 历史对照（ 有时也称之为无对照实验） 由于比较的基线不同， 论证强度差， 通常是不可取的； 自身对照要求前后相隔时间 不能过长， 并且最好同时增加一组平行对照。 １．２ 随机原则： 按照设计类型对实验个体随机进行分组或安 排实验顺序。随机不是随便， 不能凭主观决定实验个体的分 组， 正确分组是保证均衡性的关键。例如， 在比较保守疗法与 手术疗法对胃溃疡合并穿孔治疗的疗效时， 把那些不伴有休 克 、穿 孔 范 围 小 的 患 者 分 到 保 守 疗 法 组 ， 而 把 那 些 全 身 状 况 严重、穿孔范围大、不得不进行手术的患者分到手术组， 其结 果 必 然 掩 盖 两 种 疗 法 之 间 的 差 别 。正 确 的 做 法 是 要 保 证 两 组 患者条件一致， 如将所有受试对象限制为病情较轻的患者。