生物医学实验设计

3、实验效应 实验效应是处理因素作用于受试对 象的反应(response)和结局(outcome)， 它通过观察指标(统计学常将指标称为变 量)来体现。 观察指标应具有客观性、精确性、 特异性和灵敏性。
• 客观性：客观指标则是借助测量仪器和检验等手段来 反映的观察结果，客观指标具有较好的真实性和可靠 性。 主观指标是受试对象的主观感觉、记忆、陈述或 实验者的主观判断结果；而。主观指标具有随意性和 偶然性。 • 精确性：包括准确度(accuracy)和精密度(precision)两 层含义。 准确度指观察值与真值的接近程度，主要受系统误 差的影响； 精密度指重复观察时，观察值与其均数的接近程度， 其差值属于随机误差。 • 特异性和灵敏性：某指标的特异度(specificity)反映其 鉴别真阴性的能力，灵敏度（sensitivity）则反映其检 出真阳性的能力。特异度高的指标不易受混杂因素的 干扰；灵敏度高的指标能将处理因素的效应更好地显 示出来。
• 分层随机化 分层随机化步骤： (1)编号排序 将每层的受试对象编号排序，如体 重从轻到重，时间由前至后等。 (2)取随机数 从随机数字表或计算器或计算机获 得。每个受试对象可取两位数。 (3)确定组别 根据每层受试对象获得的随机数 的大小顺序决定受试对象在哪一组。对每个处理 也可规定顺序，如处理A, B, C, „分别对应于序 号1, 2, 3, „。
随机误差
误差的分类
非随机误差
非系统误差
系统误差
四、误差和偏倚
偏 倚（bias）
偏倚的概念及种类
偏倚
在实验过程中由于某些非实验因素的干扰 所形成的系统误差。 选择性偏倚（selection bias)
种类
测量性偏倚（measurement bias)
混杂性偏倚（confounding bias)
选择性偏倚的概念及其防止措施
2、处理因素 • 处理因素或受试因素：根据研究目确定 的欲施加或欲观察的、并能引起受试对 象直接或间接效应的因素，简称处理或 因素(factor)。是根据研究目的确定的主 要因素，处理因素在整个实验中应始终 要保持不变 • 非处理因素：与处理因素可能同时存在 的能使受试对象产生效应的非研究因素。 非处理因素干扰效应与所研究因素间关 系的观察与分析，常常又称混杂因素 (confounder)。
• 处理因素种类：生物性、化学性、物理性 • 处理因素水平：每个因素在数量上或强度 上可有不同。
单因素单水平：研究某药物对原发性高血压患 者的降压作用； 单因素多水平：研究某药不同剂量的降血糖作 用； 多因素单水平：比较不同药物或不同疗法对某 病的治疗效果； 多因素多水平：临床上探索某肿瘤的联合化疗 方案等。
本例：δ =35.6；S=89.0；单侧α =0.05, β =0.10,
u 0.05 单 1.645 , u 0.1单 1.282 。代入上式
n
u

u s
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
2
1.645 1.282 89.0 35.6 53.55 54
4)指标的盲法观察： 为消除或最大限度地减少 主观偏性，在设计时常采用盲法(blind method)。
单盲法(single blind method)：受试对象不知 道自己分在哪一组； 双盲法(double blind method)：受试对象和实 验执行者均不知道受试对象分在哪一组 三盲法(triple blind method)：受试对象、实 验执行者和统计分析人员三者均不知道受试对象分 在哪一组
2
约需治疗 54 例矽肺患者。 （本例也可查表求样本含量）
②两样本均数比较 A、两样本含量相等
2u u n b、估计检验效能 u a、估计最低样本含量
2
n u 2
c、估计总体参数的差异

2u u n
常 见 因 素
依从(compliance)和非依从(noncompliance)
失访：失访率＜20%
检查结果和诊断结果的不一致（disagreement) 可采用Kappa检验进行一致性判断 观察记录的失误 规定记录的方式、时间、记录本、 记录人员、定期检查可避免 心理因素的干扰
测量性偏倚的防止措施
完全随机设计 1、设计模式：
目标人群
随机抽样
研究对象 试验组 随机分配 对照组
阳性
阴性
阳性
阴性
交叉设计
设计模式： 阳性 甲组（方案A） 洗 对象 阴性 脱 阳性 期 乙组（方案B） 阴性 阳性 方案B 阴性 阳性 方案A 阴性
随机区组设计
例3 如何按随机区组设计，分配5个区组的15只小白鼠接受 甲、乙、丙三种抗癌药物？ 方法为先将小白鼠的体重从轻到重编号，体重相近的3只 小白鼠配成一个区组，见表4-6。在随机数字表（附表15） 中任选一行一列开始的2位数作为1个随机数，如从第8行第3 列开始纪录，见表4-6；在每个区组内将随机数按大小排序 ；各区组中内序号为1 的接受甲药、序号为2的接受乙药、序 号为3的接受丙药，
选择性偏倚
由于纳入观察对象的方法不正确而产生的偏倚。 正确拟定观察对象的纳入和排除标准 采用分层抽样的方法
防止措施
正确设立对照组 贯彻随机化原则
测量性偏倚的概念
测量性偏倚
在实验过程中对研究对象进行观察 或测量而造成的偏倚。
导致测量性偏倚常见因素
沾染(contamination) ：使差异缩小 干扰（co-intervention)：使差异扩大
• 受试对象应作严格的规定，以保证其同质性 (homogeneity)和代表性 同质性：动物的种类、品系、年龄、性别、体重、 窝别和营养状况等。人群的性别、年龄、民族、职业、 文化程度和经济状况、病情和病程等。 代表性：随机抽样
• 受试对象应满足两个基本条件：一是对处理因素敏感； 二是反应必须稳定。 • 选择受试对象应明确其纳入标准(inclusion criteria)和 排除标准(exclusion criteria)。
3、重复原则 重复是指在相同实验条件下进行多次研究 或多次观察。 重复的情形： (1)整个实验的重复 （2）用多个受试对象进行重复有足够的样本 含量(sample size)， （3）同一受试对象的重复观察 重复最主要的作用是估计实验误差。
第三节 常用的实验设计方案
完全随机设计 配对设计 随机区组设计 交叉设计 析因设计
单盲法
盲法（blind method)
签订实验合同
检查实验对象的依从性情况
双盲法
三盲法
防止措施
注意医德 定期检查研究记录
提高诊断一致性
严格实验设计和实验操作
混杂性偏倚的概念及其防止与控制措施
混杂性偏倚
在总结分析阶段，由于某些非实验因素与实验因素同时 并存的作用影响到观察结果，造成混杂性偏倚
防 止 与 控 制 措 施
2、随机化原则 随机化是使每个受试对象都有同等的机 会被抽取或分到不同的实验组和对照组。 • 随机化形式 (1)抽样的随机 (2)分组的随机 (3)实验顺序的随机
• 完全随机化 (1)编号 将n个受试对象编号，动物可按体重大小，患者可 按就诊顺序。 (2)取随机数 可从随机数字表或计算器或计算机获得。每 个受试对象获得的随机数可是一位数，也可是两位数或三 位数，一般要求与n的位数相同。 (3)确定组别 根据受试对象获得的随机数决定受试对象在 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1 试将同性别、体重相近的30只动物分到A、B、C三组。 先将动物按体重编号，再从本书后面所附随机数字表中 任一行如第16行最左开始连续取30个两位数字。最后将这 30个两位数字分别除以3，余数0、1、2分别对应于A、B、 C三组
5 个区组小白鼠按随机区组设计分配结果
区组号 小白鼠 随机数 序 号 分配结果 1 68 3 丙 1 2 3 4 5 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 35 26 00 99 53 93 61 28 52 70 05 48 34 56 2 1 1 3 2 3 2 1 2 3 1 2 1 3 乙 甲 甲 丙 乙 丙 乙 甲 乙 丙 甲 乙 甲 丙
第二节 实验设计的基本原则
实验设计的基本原则 • 对照(control) • 随机化(randomization) • 重复(replication)
1、对照原则 • 目的： 显露处理因素的效应； 控制混杂因素和偏倚； 判断不良反应。 • 对照的形式： (1)安慰剂对照(placebo control) (2)空白对照(blank control) (3)实验对照(experimental control) (4)自身对照(self control) (5)标准对照(standard control)
严格实验设计，精选研究对象
贯彻随机原则
分层分析
多因素分析
第五节 样本含量的估计
• 影响样本含量估计的因素 1. 第一类错误概率的大小。越小所需样本含量愈多， 2. 检验功效(1)或第二类错误概率的大小 检验功 效愈大，第二类错误的概率愈小，所需样本含量愈多。 3. 容许误差 容许误差愈大，所需样本含量愈小。 4. 总体标准差或总体概率 反映资料的变异度。 愈大，所需样本含量自然愈多。总体概率越近于 0.50，则所需样本含量愈多。
实验设计三要素： • 受试对象(object) • 处理因素(treatment) • 实验效应(experimental effect)
1、受试对象 受试对象或称研究对象是处理因素作用的客体， 是根据研究目的确定的研究总体。 研究目的不同, 医学研究的对象可以是人、动 物和植物，也可以是某个器官、细胞和血清等生物 材料。 按试验对象，实验可以分为三类： • 动物实验(animal experiment), 其受试对象为动物； • 临床试验(clinical trial), 其受试对象通常为患者； • 现场试验(field trial), 其受试对象通常为正常人群。
实例： 川芎嗪对新生大鼠缺氧 缺血性脑损伤的保护作用
研究目标和研究对象
研究目标
通过对各实验组动物脑组织MDA、SOD、NO生化 指标的比较，进一步阐明氧自由基及NO损伤在新生 儿HIE的发病机制中的重要作用及川芎嗪抗新生儿 HIE的作用机制。
研究对象
江西医学院实验动物部提供7日龄SD新生大鼠，雌 雄各半。数量共40只
• 样本含量估计的方法
样本含量的估计方法： 查表法：查有关样本含量表， 计算法：根据假设检验的公式反推。
①样本均数与总体均数比较（或配对比较）
u u s u
2
例：用某药治疗矽肺患者，估计可增加 尿的排出量，标准差89.0mmol/L,要求以 α=0.05，β=0.10的概率，能够辨别出尿的 排出量平均增加35.6mmol/L，需观察多少 例矽肺患者？
实验设计
（ Designing Experiments ）
内容提要
第一节 实验设计的基本要素
第二节 实验设计的基本原则
第三节 常用的实验设计方案
第四节 误差和偏倚 第五节 样本含量的估算 第六节 临床试验设计
设计 实验设计 调查设计
专业设计 统计设计 专业设计 统计设计
第一节 实验设计的基本要素
川芎嗪Ⅰ组：
结扎左颈总动脉，并缺氧2小时。于缺氧前 30分钟腹腔注射川芎嗪注射液100mg/Kg。
川芎嗪Ⅱ组
于HI后即刻腹腔注射川芎嗪注射液100mg/Kg。
统计分析方法
采用随机区组实验设计方差分析及X2检验
第四节 误差和偏倚
误 差(error)
误差的概念及分类
误差(error)
泛指实测值与真值之差
对照及分组情况
按随机区组设计如下：假手术组、HI组、川芎嗪Ⅰ组 和川芎嗪Ⅱ组共四组，每窝4只鼠为一区组，共10窝，每窝 随机分配至各处理组。 假手术组
分组
HI组 川芎嗪Ⅰ组 川芎嗪Ⅱ组
假手术组
为对照组。只切开皮肤游离左颈总动脉，不 进行缺氧处理。于缺氧前30分钟腹腔注射等量生 理盐水。
HI组
结扎左颈总动脉，并缺氧2小时。于缺氧 前30分钟腹腔注射等量生理盐水。