第14章 实验设计
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
检验的功效低 样本含量过大: 实际工作困难；浪费人力、物力和 时间；引入更多的混杂因素，影响数据的质量 必须正确合理地估计样本含量，用最少的经费达到 要求的精度
二、影响样本含量估计的因素
1. 第一类错误概率的大小
也称检验水准 要求小，所需样本含量多 一般要求 = 0.05
相同，双侧检验比单侧检验所需样本含量更多
纳入标准 研究总体 排除标准
受试对象
随机化
实验组
对照组
平衡设计(balanced design) ：各组样本含量相等
非平衡设计(unbalanced design)：各组样本含量不 等
二、配对设计 (paired design)
将受试对象按一定条件配成对子 再将每对中的两个受试对象随机分配到不同处 理组
不能人为施加干预措施(即处理因素)； 受试对象接受何种处理因素或同一处理因素的不同水
平不是由随机化而定的。
例如，农村地区卫生服务需求情况调查.
---- 观察性研究的设计属于调查设计(survey design)
（2）实验性研究 (experiment study) 指研究者能够人为给予干预措施的研 究，
（2）实验对照
例如, 强化铁预防缺铁性贫血，实验组儿童用强化铁酱 油 (A+B)，对照组用普通酱油 (B)。
处理组： 其他
A+B
对象I
A+B效应
对照组： 其他
其他效应
B
对象II BΒιβλιοθήκη Baidu应
其他效应
(3)相互对照
处理组：
其他
A
对象I A效应
对照组： 其他
其他效应
B
对象II
B效应
其他效应
(4)自身对照
例如,研究治疗烧伤新药，一部位用烧伤新药，另一部位用其它公认有效药物；
其他
A
对象
A效应
对照组： 其他
其他效应
B
对象 B效应
其他效应
问题: 研究减肥茶的效果，以肥胖病人用药前 的体重作对照。妥否?
注意： 前后对照不是同期对照。 在实验中同样需要另外设立一个对照组，用处理前后效应的差值来比较实
验组与对照组: 实验组:减肥茶 对照组:普通茶
第一节 实验设计的基本要素
受试对象(object) 处理因素(treatment) 实验效应(experimental effect)
其他
处理
对象
效应 其他效应
例如，研究某药对Ⅱ型糖尿病病人的降血糖效果。 受试对象：Ⅱ型糖尿病病人 处理因素：某药 实验效应：血糖的变化值
1．处理(treatment) 例：药剂、手术方法、毒物 （1）抓住主要处理因素 （2）区分处理与非处理因素 （3）处理因素必须标准化 2．受试对象 动物的选择：种类、品系、年龄、体重、窝别、营
例如，健康教育能否预防小学生近视的研究。
小学生除每天做眼保健操外, 随机分为试验组和对照组。试验组另给予预防 近视的健康教育。观察一段时间后，比较两组小学生的视力变化。
-----它的设计对应于实验设计。
以下主要介绍实验设计的统计学部分
包括：基本要素、基本原则、常用设计方案、样本含量的估计和临床试验设 计
(5)标准对照(standard control) 用现有标准方法或常规方法作对照。 这种对照在临床试验中用得较多，因为很多
情况下不给病人任何治疗是不道德的。另外， 在实验室研究中常用于某种新检验方法是否能 代替传统方法的研究。
但用现有标准值或参考值作对照---不好！
(6)历史对照 (historical control) 与本人或他人过去的研究结果作比较 --- 不好！
相近配成对子；随机分成两组，分别接受国产和进口疫苗。
2）同一受试对象(人或标本)分别接受两种不同的处理。
3)前后配对 ? ---- 同一受试对象接受一种处理的前后
若仅观察一组，则要求在处理因素施加前后的影响因素如气候、饮食、心 理状态等相同，但常常难于做到，故存在一定缺陷，现已不提倡单独使用。
配对设计的优点：抽样误差较小、 实验效率较高、 所需样本含量较小；
每个区组中的k个受试对象分别随机分配到k个处理组中去。
五、析因设计(factorial design) 将两个或多个实验因素的各水平进行组合;对各种
可
能的组合都进行实验 记号
等水平析因设计mk ：k个因素，每因素m个水平的析 因设计。如三因素两水平, 记为23析因设计
不等水平析因设计3253 ：两个因素有3个水平，三个 因素有5个水平
第十四章 实验设计
中山大学公共卫生学院 医学统计与流行病学系
实验设计(design of experiment, DOE) 顺利进行科学研究和数据统计分析的先决条件 获得预期结果的重要保证
设计： 专业设计：从各专业角度考虑实验的科学安排，选题、建立假说、确定
研究对象和技术方法等； 统计设计：从统计学的角度考虑资料搜集、整理和分析的设计。---- 设
四、随机区组设计(randomized block design) 又称随机单位组设计、随机配伍组设计。
b 个区组：很不相同
每个区组内： k个受试对象非常相似 k 个处理：有待比较 将受试对象按性质(如动物的性别、体重，病人的病情、性别、年龄等非
实验因素)相同或相近者组成b个区组(或称单位组、配伍组);
例14-1 用随机数字表将同性别、体重相近的15只动物 分到A、B、C 三组。
先将动物编号；从随机数字表中任一行(如第16行) 最左开始连续取15个两位数字；
事先设定规则：将每个两位数字除以3，余数0、1、 2 分别对应于A、B、C三组
编号 随机数 ÷3 的余数 分组
表 14-1 15 只动物完全随机分组的结果 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 88 56 53 27 59 33 35 72 67 47 77 34 55 45 70 1 2 20 2020122 1 101 B C CA CA CA B CC B BA B
优点：1）全面高效性 以最小的实验次数探讨各因素
的主效应，同时可获得因素间的交互效应
2） 通过比较各种实验组合，还能寻求最佳组合 缺点: 工作量较大；统计分析复杂
第四节 样本含量的估计
样本含量(sample size)，又称样本大小 本节主要讨论假设检验时的样本含量估计。
一、样本含量估计的意义
科研设计需要“重复” 样本含量过小: 所得结果未必真实
随机分组结果 鼠1 鼠2 鼠3 鼠4
DACB BCDA DACB ………… DCAB
三、重复原则
重复: 在相同实验条件下进行多次研究或多次观 察，以提高实验的可靠性和科学性。 1) 整个实验的重复
不可重复的研究是没有科学性的。 2）用多个受试对象进行重复
个别--普遍？ 偶然--必然？ 要有足够的样本含量(sample size) 3）同一受试对象的重复观察 降低实验误差 估计实验误差
配对设计的缺点：配对失败或配对欠佳时，反 而降低效率
三、交叉设计(cross-over design) 两种处理：A 和 B 两个阶段：I 和 Ⅱ 随机分两组：先A后B；先B后A
受试对象 1 2 … n1 1 2 … n2
阶段 I A A … A B B … B
清除阶段 (wash out) 无处理 无处理
2）分层随机化 (stratified randomization) 完全随机化并不能保证各组间一定达到良好
的均衡性。
改进： 配对随机化(paired randomization) 以对
子为“层” 区组随机化(block randomization) 以区组
为“层”
例14-2 为比较四种剂量的碘(A, B, C, D)对脾脏 的影响。将小白鼠体重作为分层因素，试随机分 配处理。
外观(剂型、大小、颜色)、重量、气味及口味等与试验 药物一致。 目的： 1）克服研究者、受试对象、评价者等由于心理因素所 形成的偏倚，控制安慰作用； 2）消除疾病自然进程的影响，分离出由于试验药物所 引起的真正反应。 安慰剂对照的使用要慎重，应以不损害病人健康为前提。
空白对照 在实验研究中，设置空白管并同时测定，以检测本底值。 在临床试验中，使用空白对照更需谨慎
… 无处理 无处理 无处理
… 无处理
阶段Ⅱ
B B … B A A … A
优点：不受个体差异的影响，适用于慢性病。
缺点：受试对象一旦在某一阶段退出试验，就会造成该阶段及其以后的数据缺 失。
注意： 1) 清除阶段(washout period)旨在消除剩余效应(carry-over effects)
该阶段的长短取决于药物在血清中的衰减程度，一般要求大于6-8个药物半 衰期； 2)盲法，以提高受试对象的依从性，避免偏倚； 3)不宜用于具有自愈倾向或病程较短的疾病研究
第三节 常用的实验设计方案
考察单个因素的效应? 可选用：完全随机设计
配对设计 交叉设计 随机区组设计
考察多个因素的效应? 可选用： 析因设计
一、完全随机设计 (completely randomized design)又称 简单随机分组设计(simple randomized design)
将同质的受试对象随机地分配到各处理组，再 观察其实验效应
计类型、样本含量、指标和分析方法
医学科学研究方法:
(1)观察性研究 (observational study) 又称 非实验性研究(non-experimental study)
或 对比研究(comparative study)
---- 非随机化对比研究。
以客观、真实的观察为依据，对观察结果进行描述和 对比分析；
基线(baseline) 比较: 对照组设立后，应检验两组开始时的状态是否均 衡
常用对照
（1） 安慰剂（或空白）对照
处理组： 其他
处理 对象I 效应
对照组： 其他
其他效应
安慰剂 对象II 效应 （或空白）
其他效应
安慰剂(placebo) 无药理作用的“假药”或称伪药物(dummy medication)；
介于0和1之间均匀分布的数字 统计软件中的伪随机数发生器: 如果每次将种子数(seed number)设为一样， 产生的伪随机数便具有重复性。 ---- 必须报告:用什么统计软件产生伪随机数?
用什么种子数?
随机化实验设计方法
1）完全随机化(complete randomization)
步骤：编号、取随机数（与n的位数相同）、定组别
事先规定：在同一层内按随机数由小到大排序 的序号分组
表 14-2 小白鼠区组随机化的结果
分
随机数
层 鼠1 鼠2 鼠3 鼠4
1 81 46 77 61
2 08 39 74 00
3 99 24 72 48
……………
10 91 88 45 80
随机数序号 鼠1 鼠2 鼠3 鼠4
4132 2341 4132 ………… 4312
二、随机化原则
随机化 (randomization) 目的： 对付大量不可控制非处理因素的另一个重要统计学手段； 防止有意无意的”搞鬼”; 对资料进行统计推断的前提。
随机化应贯穿于研究设计和实施的全过程：
1)抽样的随机化: 总体中每个个体都有相同机会被抽到样本中来 ---- 保证 所得样本有代表性，使实验结论具有普遍意义。
配对依据：可能影响实验结果的主要混杂因素 动物实验：窝别、性别、体重等 临床试验：病情轻重、性别、年龄、职业等
在医学科研中，配对设计主要有以下情形： 1）将两个条件相同或相近的受试对象配成对子(含同一个体的两对称器官或
组织)，分别接受两种不同的处理。 例 欲研究国产禽流感疫苗的效果，将同种属的鸡按性别相同，月龄、体重
2)分组的随机化: 每个受试对象被分配到各组的机会相等 ---- 保证受试对 象的其他状况在对比组间尽可能均衡，提高组间的可比性。
3)实验顺序的随机化:每个受试对象先后接受处理的机会相等 ---- 使实验顺 序的影响达到均衡。
随机化方法
1）抽签或掷硬币 (已过时) 2）随机数(random number) 随机数字表(现场用) 伪随机数(pseudo random number, PRN)：
养…… 病例的选择：纳入标准、剔除标准 3．效应(effect) 指标的选择：准确(accuracy)；精密(precision)
灵敏(sensitivity)；特异(specificity)
第二节 实验设计的基本原则
一、对照(control) 目的：比较的对象；控制实验误差和系统误差
同期对照(concurrent control): 在整个实验过程中，对照组和实验组 应始终在同时同地进行
二、影响样本含量估计的因素
1. 第一类错误概率的大小
也称检验水准 要求小，所需样本含量多 一般要求 = 0.05
相同，双侧检验比单侧检验所需样本含量更多
纳入标准 研究总体 排除标准
受试对象
随机化
实验组
对照组
平衡设计(balanced design) ：各组样本含量相等
非平衡设计(unbalanced design)：各组样本含量不 等
二、配对设计 (paired design)
将受试对象按一定条件配成对子 再将每对中的两个受试对象随机分配到不同处 理组
不能人为施加干预措施(即处理因素)； 受试对象接受何种处理因素或同一处理因素的不同水
平不是由随机化而定的。
例如，农村地区卫生服务需求情况调查.
---- 观察性研究的设计属于调查设计(survey design)
（2）实验性研究 (experiment study) 指研究者能够人为给予干预措施的研 究，
（2）实验对照
例如, 强化铁预防缺铁性贫血，实验组儿童用强化铁酱 油 (A+B)，对照组用普通酱油 (B)。
处理组： 其他
A+B
对象I
A+B效应
对照组： 其他
其他效应
B
对象II BΒιβλιοθήκη Baidu应
其他效应
(3)相互对照
处理组：
其他
A
对象I A效应
对照组： 其他
其他效应
B
对象II
B效应
其他效应
(4)自身对照
例如,研究治疗烧伤新药，一部位用烧伤新药，另一部位用其它公认有效药物；
其他
A
对象
A效应
对照组： 其他
其他效应
B
对象 B效应
其他效应
问题: 研究减肥茶的效果，以肥胖病人用药前 的体重作对照。妥否?
注意： 前后对照不是同期对照。 在实验中同样需要另外设立一个对照组，用处理前后效应的差值来比较实
验组与对照组: 实验组:减肥茶 对照组:普通茶
第一节 实验设计的基本要素
受试对象(object) 处理因素(treatment) 实验效应(experimental effect)
其他
处理
对象
效应 其他效应
例如，研究某药对Ⅱ型糖尿病病人的降血糖效果。 受试对象：Ⅱ型糖尿病病人 处理因素：某药 实验效应：血糖的变化值
1．处理(treatment) 例：药剂、手术方法、毒物 （1）抓住主要处理因素 （2）区分处理与非处理因素 （3）处理因素必须标准化 2．受试对象 动物的选择：种类、品系、年龄、体重、窝别、营
例如，健康教育能否预防小学生近视的研究。
小学生除每天做眼保健操外, 随机分为试验组和对照组。试验组另给予预防 近视的健康教育。观察一段时间后，比较两组小学生的视力变化。
-----它的设计对应于实验设计。
以下主要介绍实验设计的统计学部分
包括：基本要素、基本原则、常用设计方案、样本含量的估计和临床试验设 计
(5)标准对照(standard control) 用现有标准方法或常规方法作对照。 这种对照在临床试验中用得较多，因为很多
情况下不给病人任何治疗是不道德的。另外， 在实验室研究中常用于某种新检验方法是否能 代替传统方法的研究。
但用现有标准值或参考值作对照---不好！
(6)历史对照 (historical control) 与本人或他人过去的研究结果作比较 --- 不好！
相近配成对子；随机分成两组，分别接受国产和进口疫苗。
2）同一受试对象(人或标本)分别接受两种不同的处理。
3)前后配对 ? ---- 同一受试对象接受一种处理的前后
若仅观察一组，则要求在处理因素施加前后的影响因素如气候、饮食、心 理状态等相同，但常常难于做到，故存在一定缺陷，现已不提倡单独使用。
配对设计的优点：抽样误差较小、 实验效率较高、 所需样本含量较小；
每个区组中的k个受试对象分别随机分配到k个处理组中去。
五、析因设计(factorial design) 将两个或多个实验因素的各水平进行组合;对各种
可
能的组合都进行实验 记号
等水平析因设计mk ：k个因素，每因素m个水平的析 因设计。如三因素两水平, 记为23析因设计
不等水平析因设计3253 ：两个因素有3个水平，三个 因素有5个水平
第十四章 实验设计
中山大学公共卫生学院 医学统计与流行病学系
实验设计(design of experiment, DOE) 顺利进行科学研究和数据统计分析的先决条件 获得预期结果的重要保证
设计： 专业设计：从各专业角度考虑实验的科学安排，选题、建立假说、确定
研究对象和技术方法等； 统计设计：从统计学的角度考虑资料搜集、整理和分析的设计。---- 设
四、随机区组设计(randomized block design) 又称随机单位组设计、随机配伍组设计。
b 个区组：很不相同
每个区组内： k个受试对象非常相似 k 个处理：有待比较 将受试对象按性质(如动物的性别、体重，病人的病情、性别、年龄等非
实验因素)相同或相近者组成b个区组(或称单位组、配伍组);
例14-1 用随机数字表将同性别、体重相近的15只动物 分到A、B、C 三组。
先将动物编号；从随机数字表中任一行(如第16行) 最左开始连续取15个两位数字；
事先设定规则：将每个两位数字除以3，余数0、1、 2 分别对应于A、B、C三组
编号 随机数 ÷3 的余数 分组
表 14-1 15 只动物完全随机分组的结果 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 88 56 53 27 59 33 35 72 67 47 77 34 55 45 70 1 2 20 2020122 1 101 B C CA CA CA B CC B BA B
优点：1）全面高效性 以最小的实验次数探讨各因素
的主效应，同时可获得因素间的交互效应
2） 通过比较各种实验组合，还能寻求最佳组合 缺点: 工作量较大；统计分析复杂
第四节 样本含量的估计
样本含量(sample size)，又称样本大小 本节主要讨论假设检验时的样本含量估计。
一、样本含量估计的意义
科研设计需要“重复” 样本含量过小: 所得结果未必真实
随机分组结果 鼠1 鼠2 鼠3 鼠4
DACB BCDA DACB ………… DCAB
三、重复原则
重复: 在相同实验条件下进行多次研究或多次观 察，以提高实验的可靠性和科学性。 1) 整个实验的重复
不可重复的研究是没有科学性的。 2）用多个受试对象进行重复
个别--普遍？ 偶然--必然？ 要有足够的样本含量(sample size) 3）同一受试对象的重复观察 降低实验误差 估计实验误差
配对设计的缺点：配对失败或配对欠佳时，反 而降低效率
三、交叉设计(cross-over design) 两种处理：A 和 B 两个阶段：I 和 Ⅱ 随机分两组：先A后B；先B后A
受试对象 1 2 … n1 1 2 … n2
阶段 I A A … A B B … B
清除阶段 (wash out) 无处理 无处理
2）分层随机化 (stratified randomization) 完全随机化并不能保证各组间一定达到良好
的均衡性。
改进： 配对随机化(paired randomization) 以对
子为“层” 区组随机化(block randomization) 以区组
为“层”
例14-2 为比较四种剂量的碘(A, B, C, D)对脾脏 的影响。将小白鼠体重作为分层因素，试随机分 配处理。
外观(剂型、大小、颜色)、重量、气味及口味等与试验 药物一致。 目的： 1）克服研究者、受试对象、评价者等由于心理因素所 形成的偏倚，控制安慰作用； 2）消除疾病自然进程的影响，分离出由于试验药物所 引起的真正反应。 安慰剂对照的使用要慎重，应以不损害病人健康为前提。
空白对照 在实验研究中，设置空白管并同时测定，以检测本底值。 在临床试验中，使用空白对照更需谨慎
… 无处理 无处理 无处理
… 无处理
阶段Ⅱ
B B … B A A … A
优点：不受个体差异的影响，适用于慢性病。
缺点：受试对象一旦在某一阶段退出试验，就会造成该阶段及其以后的数据缺 失。
注意： 1) 清除阶段(washout period)旨在消除剩余效应(carry-over effects)
该阶段的长短取决于药物在血清中的衰减程度，一般要求大于6-8个药物半 衰期； 2)盲法，以提高受试对象的依从性，避免偏倚； 3)不宜用于具有自愈倾向或病程较短的疾病研究
第三节 常用的实验设计方案
考察单个因素的效应? 可选用：完全随机设计
配对设计 交叉设计 随机区组设计
考察多个因素的效应? 可选用： 析因设计
一、完全随机设计 (completely randomized design)又称 简单随机分组设计(simple randomized design)
将同质的受试对象随机地分配到各处理组，再 观察其实验效应
计类型、样本含量、指标和分析方法
医学科学研究方法:
(1)观察性研究 (observational study) 又称 非实验性研究(non-experimental study)
或 对比研究(comparative study)
---- 非随机化对比研究。
以客观、真实的观察为依据，对观察结果进行描述和 对比分析；
基线(baseline) 比较: 对照组设立后，应检验两组开始时的状态是否均 衡
常用对照
（1） 安慰剂（或空白）对照
处理组： 其他
处理 对象I 效应
对照组： 其他
其他效应
安慰剂 对象II 效应 （或空白）
其他效应
安慰剂(placebo) 无药理作用的“假药”或称伪药物(dummy medication)；
介于0和1之间均匀分布的数字 统计软件中的伪随机数发生器: 如果每次将种子数(seed number)设为一样， 产生的伪随机数便具有重复性。 ---- 必须报告:用什么统计软件产生伪随机数?
用什么种子数?
随机化实验设计方法
1）完全随机化(complete randomization)
步骤：编号、取随机数（与n的位数相同）、定组别
事先规定：在同一层内按随机数由小到大排序 的序号分组
表 14-2 小白鼠区组随机化的结果
分
随机数
层 鼠1 鼠2 鼠3 鼠4
1 81 46 77 61
2 08 39 74 00
3 99 24 72 48
……………
10 91 88 45 80
随机数序号 鼠1 鼠2 鼠3 鼠4
4132 2341 4132 ………… 4312
二、随机化原则
随机化 (randomization) 目的： 对付大量不可控制非处理因素的另一个重要统计学手段； 防止有意无意的”搞鬼”; 对资料进行统计推断的前提。
随机化应贯穿于研究设计和实施的全过程：
1)抽样的随机化: 总体中每个个体都有相同机会被抽到样本中来 ---- 保证 所得样本有代表性，使实验结论具有普遍意义。
配对依据：可能影响实验结果的主要混杂因素 动物实验：窝别、性别、体重等 临床试验：病情轻重、性别、年龄、职业等
在医学科研中，配对设计主要有以下情形： 1）将两个条件相同或相近的受试对象配成对子(含同一个体的两对称器官或
组织)，分别接受两种不同的处理。 例 欲研究国产禽流感疫苗的效果，将同种属的鸡按性别相同，月龄、体重
2)分组的随机化: 每个受试对象被分配到各组的机会相等 ---- 保证受试对 象的其他状况在对比组间尽可能均衡，提高组间的可比性。
3)实验顺序的随机化:每个受试对象先后接受处理的机会相等 ---- 使实验顺 序的影响达到均衡。
随机化方法
1）抽签或掷硬币 (已过时) 2）随机数(random number) 随机数字表(现场用) 伪随机数(pseudo random number, PRN)：
养…… 病例的选择：纳入标准、剔除标准 3．效应(effect) 指标的选择：准确(accuracy)；精密(precision)
灵敏(sensitivity)；特异(specificity)
第二节 实验设计的基本原则
一、对照(control) 目的：比较的对象；控制实验误差和系统误差
同期对照(concurrent control): 在整个实验过程中，对照组和实验组 应始终在同时同地进行