科研方法导论实验设计 4解析
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实验设计 experiment design
分类： 实验研究设计：以动物或人体生物组织、标本研究对象
• 对象 临床试验设计：以人(患者或健康者)为研究对象
单因素设计：随机设计、配对设计 • 研究因素
两因素设计：配对设计、配伍设计… 三因素设计: 拉丁设计、youden设计… 交互作用设计: 析因设计、正交设计… • 实验组数 两组比较 多组比较
多因素多水平研究
完全随机设计
(randomized controltrial test RCT ）
基本方法：
• 单因素研究
• 实验对象随机分组,实验顺序随机分组
• 每组例数可相等或不相等
平 对照组
行
比
随
较
研究
随机抽样
机 处理组1 观
对象总体 或目标人群 非随机抽样
Hale Waihona Puke Baidu
研究对象 样本
分 配
……
察
效 应 指 标
表5.3 200名棉屑沉着病可疑患者的诊断结果
第一人检查
正常
第二人检查
Ⅰ型
Ⅱ型
合计
正常
78
5
0
83
Ⅰ型
6
56
13
75
Ⅱ型
0
10
32
42
合计
84
71
45
200
两医生判断的一致性可通过计算其Kappa值进行判断： Kappa PA PE 1 PE
PA————— 两者实际观察一致率 PA=ΣA/N
PE ————— 期望一致率
配对设计与完全随机设计的比较
一般来说，配对设计的效率高于完全随机设计，前提是正 确选择与控制配对的条件，保证对子数呈正方向变化， 否则，完全随机设计的效率则不一定高
例：
编号 1
2
3
4
5
6
7
A组 4.8 5.2 5.9 4.8 4.5 5.4 6.2
B组 3.3 5.0 4.1 4.6 4.4 5.2 5.1
适用的范围 ：
• 急性和短期的实验 • 病情稳定的慢性病中观察短期对症治疗的效果
统计分析方法 ：
• 定量测定指标采用配对t检验或符号秩和检验 • 分类指标采用配对χ2检验比较何者方法优劣或实验前后
有无差别 • 对两者的吻合程度，可采用Kappa值的一致性检验方法。
（见例）
例 两名放射科医师对200名棉屑沉着病可疑患者的诊断结 果见表6-3，试判断两医生的诊断结果是否具有一致性。
——如果还想了解化疗组+放疗治疗是否疗效更好， 则应设计空白组、化疗组、放疗组、化疗组+放 疗组四个组，此时的统计学分析应采用2× 2析因 设计的分析方法。
配对设计 matched –pairs design
含义与特点：
配对试验的基本思想是使实验组和对照组间非试验因 素的条件均衡，使得试验因素的效应更容易显示出来， 以提高试验设计的效率，减少样本例数的需要量。
种类： 实验前后配对 （自身对照试验 ）
异体配对设计
实验前后配对
• 比较受试者实验前后的变量值改变情况 • 比较同一标本接受两种不同测定方法的检查结果
优点: 能有效的控制个体间的差异，使得误差控制在最 小的程度
缺点: 受试对象在实验过程中可能会发生某些条件的改 变 ，会导致实验前后的条件不一致，产生对实 验结果的偏性
随机对照设计的评价
• 对非研究因素的影响，是否采用分层随机分配的办法进 行了平衡。（见例）
• 样本量的估计是否合理，可以通过计算Ⅱ型错误的大小 和检验效能Power值进行评价。
• 是否确定了合理的实验组数。
例 有一CRT试验，是用奥美拉唑、克拉霉素和阿莫西林治 疗幽门杆菌感染的十二指肠溃疡及慢性胃炎患者151例， 分为三组，见下表：
PE=ΣE/N
本例，PA=（78+56+32）/200=0.83， PE=[(84×83/200)+(71×75/200)+(45×42/200)]/2 00=0.355
Kappa 0.83 0.355 0.736 1 0.355
Kappa>0.4即可说明两者的一直性较好，本例 Kappa为0.736，两医师判断的一致性较好。 Kappa值同样存在抽样误差 ，应进行假设检验。
十二指肠溃疡及慢性胃炎随机对照实验
病种
奥美拉唑 (Ⅰ)
克拉霉素 (Ⅱ)
阿莫西林 (Ⅲ)
十二指肠溃疡
25
26
0
慢性胃炎
23
21
46
合计
48
47
46
例如，在比较某肿瘤切除后化疗和放疗的效果
——若事先对化疗和放疗的疗效未确定，则应设化 疗组、放疗组、空白组；
——如果已知化疗和放疗都有效果，只是想比较两 者何者为优，则只需设计化疗组和放疗组；
差数 1.5 0.2 1.8 0.2 0.1 0.2 1.1
r=0.382, t配对=2.676,P<0.05; t完全随机=2.123,p>0.05。 配对成功
交叉试验设计 Cross-over design
• 基本方法：将两种处理因素在实验组和对照组间交叉
进行
研究 对象总 体或目 标人
群
研究 对象 样本
• 计量指标 如果是两组计量指标的比较，通常采 用t (u ) 检验或秩和检验；若是多组比较，采用 单因素的方差分析和两两比较的q 检验，也可用 秩和检验法。
• 计数或分类指标 如果对病因或危险因素的分析， 计算其发病率、死亡率、并作χ2检验;计算相对危 险度及归因危险度。如果是研究某治疗措施的生 存时间，可进行n年生存率的计算和平均生存期 的比较。
处理组k
应用范围 :
• 最常用的一种设计方法 • 非实验性因素对效应指标影响不是很大 • 实验性因素对效应指标的影响在实验组和对照组
能均衡 • 无法采用配对或配伍设计的实验
优缺点
• 优点：实验设计和统计分析简单， • 缺点：一次只能研究一个因素，且所需要的样本量比较
大。因此，设计的效率不高
统计分析方法
子
对照组
观 察 实 验 结
配
果
优点： • 异体配对设计可以改善实验组与对照组的齐同性,能进行
同期平行观察结果 ； 缺点： • 确定匹配的条件，常见：动物的种属、品系、性别、体
重、窝别、生长天数作为配对的基本条件 • 匹配“过头”等问题 应用范围：
• 急性实验 • 慢性实验的研究
统计分析：
• 同自身配对
异体配对设计 heterogeneous paired design
含义及特点：
——是将受试者按照一定的条件，将条件相同的个 体配成对子，在对子内按照随机方法，将一个分 配到实验组，另一个分配到对照组，进行实验观 察。
模式：
研究 对象总体
或目标 人群
配
对 条
平
随
实验组
行
研件 究 对 象
实
机
验
对
分
分类： 实验研究设计：以动物或人体生物组织、标本研究对象
• 对象 临床试验设计：以人(患者或健康者)为研究对象
单因素设计：随机设计、配对设计 • 研究因素
两因素设计：配对设计、配伍设计… 三因素设计: 拉丁设计、youden设计… 交互作用设计: 析因设计、正交设计… • 实验组数 两组比较 多组比较
多因素多水平研究
完全随机设计
(randomized controltrial test RCT ）
基本方法：
• 单因素研究
• 实验对象随机分组,实验顺序随机分组
• 每组例数可相等或不相等
平 对照组
行
比
随
较
研究
随机抽样
机 处理组1 观
对象总体 或目标人群 非随机抽样
Hale Waihona Puke Baidu
研究对象 样本
分 配
……
察
效 应 指 标
表5.3 200名棉屑沉着病可疑患者的诊断结果
第一人检查
正常
第二人检查
Ⅰ型
Ⅱ型
合计
正常
78
5
0
83
Ⅰ型
6
56
13
75
Ⅱ型
0
10
32
42
合计
84
71
45
200
两医生判断的一致性可通过计算其Kappa值进行判断： Kappa PA PE 1 PE
PA————— 两者实际观察一致率 PA=ΣA/N
PE ————— 期望一致率
配对设计与完全随机设计的比较
一般来说，配对设计的效率高于完全随机设计，前提是正 确选择与控制配对的条件，保证对子数呈正方向变化， 否则，完全随机设计的效率则不一定高
例：
编号 1
2
3
4
5
6
7
A组 4.8 5.2 5.9 4.8 4.5 5.4 6.2
B组 3.3 5.0 4.1 4.6 4.4 5.2 5.1
适用的范围 ：
• 急性和短期的实验 • 病情稳定的慢性病中观察短期对症治疗的效果
统计分析方法 ：
• 定量测定指标采用配对t检验或符号秩和检验 • 分类指标采用配对χ2检验比较何者方法优劣或实验前后
有无差别 • 对两者的吻合程度，可采用Kappa值的一致性检验方法。
（见例）
例 两名放射科医师对200名棉屑沉着病可疑患者的诊断结 果见表6-3，试判断两医生的诊断结果是否具有一致性。
——如果还想了解化疗组+放疗治疗是否疗效更好， 则应设计空白组、化疗组、放疗组、化疗组+放 疗组四个组，此时的统计学分析应采用2× 2析因 设计的分析方法。
配对设计 matched –pairs design
含义与特点：
配对试验的基本思想是使实验组和对照组间非试验因 素的条件均衡，使得试验因素的效应更容易显示出来， 以提高试验设计的效率，减少样本例数的需要量。
种类： 实验前后配对 （自身对照试验 ）
异体配对设计
实验前后配对
• 比较受试者实验前后的变量值改变情况 • 比较同一标本接受两种不同测定方法的检查结果
优点: 能有效的控制个体间的差异，使得误差控制在最 小的程度
缺点: 受试对象在实验过程中可能会发生某些条件的改 变 ，会导致实验前后的条件不一致，产生对实 验结果的偏性
随机对照设计的评价
• 对非研究因素的影响，是否采用分层随机分配的办法进 行了平衡。（见例）
• 样本量的估计是否合理，可以通过计算Ⅱ型错误的大小 和检验效能Power值进行评价。
• 是否确定了合理的实验组数。
例 有一CRT试验，是用奥美拉唑、克拉霉素和阿莫西林治 疗幽门杆菌感染的十二指肠溃疡及慢性胃炎患者151例， 分为三组，见下表：
PE=ΣE/N
本例，PA=（78+56+32）/200=0.83， PE=[(84×83/200)+(71×75/200)+(45×42/200)]/2 00=0.355
Kappa 0.83 0.355 0.736 1 0.355
Kappa>0.4即可说明两者的一直性较好，本例 Kappa为0.736，两医师判断的一致性较好。 Kappa值同样存在抽样误差 ，应进行假设检验。
十二指肠溃疡及慢性胃炎随机对照实验
病种
奥美拉唑 (Ⅰ)
克拉霉素 (Ⅱ)
阿莫西林 (Ⅲ)
十二指肠溃疡
25
26
0
慢性胃炎
23
21
46
合计
48
47
46
例如，在比较某肿瘤切除后化疗和放疗的效果
——若事先对化疗和放疗的疗效未确定，则应设化 疗组、放疗组、空白组；
——如果已知化疗和放疗都有效果，只是想比较两 者何者为优，则只需设计化疗组和放疗组；
差数 1.5 0.2 1.8 0.2 0.1 0.2 1.1
r=0.382, t配对=2.676,P<0.05; t完全随机=2.123,p>0.05。 配对成功
交叉试验设计 Cross-over design
• 基本方法：将两种处理因素在实验组和对照组间交叉
进行
研究 对象总 体或目 标人
群
研究 对象 样本
• 计量指标 如果是两组计量指标的比较，通常采 用t (u ) 检验或秩和检验；若是多组比较，采用 单因素的方差分析和两两比较的q 检验，也可用 秩和检验法。
• 计数或分类指标 如果对病因或危险因素的分析， 计算其发病率、死亡率、并作χ2检验;计算相对危 险度及归因危险度。如果是研究某治疗措施的生 存时间，可进行n年生存率的计算和平均生存期 的比较。
处理组k
应用范围 :
• 最常用的一种设计方法 • 非实验性因素对效应指标影响不是很大 • 实验性因素对效应指标的影响在实验组和对照组
能均衡 • 无法采用配对或配伍设计的实验
优缺点
• 优点：实验设计和统计分析简单， • 缺点：一次只能研究一个因素，且所需要的样本量比较
大。因此，设计的效率不高
统计分析方法
子
对照组
观 察 实 验 结
配
果
优点： • 异体配对设计可以改善实验组与对照组的齐同性,能进行
同期平行观察结果 ； 缺点： • 确定匹配的条件，常见：动物的种属、品系、性别、体
重、窝别、生长天数作为配对的基本条件 • 匹配“过头”等问题 应用范围：
• 急性实验 • 慢性实验的研究
统计分析：
• 同自身配对
异体配对设计 heterogeneous paired design
含义及特点：
——是将受试者按照一定的条件，将条件相同的个 体配成对子，在对子内按照随机方法，将一个分 配到实验组，另一个分配到对照组，进行实验观 察。
模式：
研究 对象总体
或目标 人群
配
对 条
平
随
实验组
行
研件 究 对 象
实
机
验
对
分