實驗設計概述

Introduction

toExperimentalDesign

(實驗設計概述）流行病與衛(wèi)生統(tǒng)計研究所李秀君2009.6.3Introduction

toExperimental1醫(yī)學科研設計及其分類專業(yè)設計：選題、查閱文獻、假說、預試驗統(tǒng)計設計：對象、分組、數(shù)量、指標、分析方法設計好：（1）既省又可靠 （2）可估計誤差 （3）獲取多方面知識設計不好：（1）雜亂無章、雖多猶無 （2）只能羅列現(xiàn)象、無規(guī)律可言IntroductiontoExperimentalDesign醫(yī)學科研設計及其分類專業(yè)設計：選題、查閱文獻、假說、預試驗I2是否主動施加干預?1.實驗研究(干預):

受試對象：人——臨床試驗（clinicaltrial）動物——動物實驗（animalexperiment

）臨床試驗：治療——臨床療效實驗預防—社區(qū)干預實驗（communityinterventiontrial）2.調(diào)查研究(無干預):被動地觀察、如實記錄

聯(lián)系：調(diào)查研究可為實驗研究提供線索，而實驗研究還需要通過調(diào)查研究加以證實。醫(yī)學科研設計及其分類是否主動施加干預?醫(yī)學科研設計及其分類3ExperimentalDesign）

一、

實驗設計的基本概念二、實驗設計的特點三、實驗設計的分類四、實驗研究的基本要素五、實驗設計的基本原則

IntroductiontoExperimentalDesignExperimentalDesign）一、

實驗設計的基4科學合理地安排實驗研究的過程就是實驗設計。實驗設計是科研計劃的具體實施方案，是進行實驗和統(tǒng)計分析的先決條件，是實驗研究獲得預期結(jié)果的重要保證。一個科學合理的實驗設計方案，不僅要根據(jù)研究目的確定研究內(nèi)容、技術(shù)路線和方法，而且要能保證用較少的人力、物力、財力及時間進行實驗，最大限度地減少誤差，獲得可靠的結(jié)果。實驗設計過程是專業(yè)設計和統(tǒng)計設計的有機結(jié)合。一、實驗設計的基本概念

科學合理地安排實驗研究的過程就是實驗設計。一、實驗設計的基本5研究者能人為設置處理因素；受試對象接受何種處理因素或水平由隨機分配而定，能使各組的非處理因素保持均衡，組間具有可比性，可以客觀評價處理因素的作用；能使多種實驗因素包括在較少次數(shù)的實驗中，更有效地控制誤差，達到高效的目的。二、實驗設計的特點

研究者能人為設置處理因素；二、實驗設計的特點6根據(jù)研究目的和對象不同，實驗設計可分為三類：實驗研究：以動物或標本（如細胞、組織等）為研究對象，研究者對其可主動施加干預措施。臨床試驗：以人為研究對象，由于人具有思想、心理和社會活動，難以控制，因此，研究者必須周密考慮、認真設計，控制誤差和偏倚，以保證研究結(jié)果不受干擾。三、實驗設計的分類

根據(jù)研究目的和對象不同，實驗設計可分為三類：三、實驗7社區(qū)干預試驗：以社區(qū)人群為研究對象，接受某種處理或干預措施的基本單位是整個社區(qū)或某一人群的亞群，如一個學校的班級、某工廠的車間、某城市的街道、農(nóng)村的鄉(xiāng)鎮(zhèn)、自然村等。

主要目的是通過干擾某些危險因素或施加某些保護性措施，觀察其對人群產(chǎn)生的預防效果。例如，觀察腎綜合征出血熱疫苗對腎綜合征出血熱的預防作用。由于社區(qū)干預試驗難以將受試者進行隨機分配，因此又稱為半試驗性研究。三、實驗設計的分類

社區(qū)干預試驗：以社區(qū)人群為研究對象，接受某種處理或干預措施的8降壓藥高血壓病人血壓值處理因素受試對象實驗效應三要素：1.處理因素；2.受試對象；3.實驗效應其他因素其他效應四、實驗設計的基本要素

再例如，用兩種藥物治療糖尿病病人，觀察比較兩組病人血糖、尿糖的下降情況，這里所用的藥物為處理因素，糖尿病病人為受試對象，血糖值、尿糖值為實驗效應。降壓藥高血壓病人血壓值處理因素受試對象實驗效應三要素：1.處9實驗過程中影響實驗結(jié)果的因素是多方面的，根據(jù)研究目的可分為處理因素和非處理因素二類。處理因素（治療因素）是指研究者根據(jù)研究目的所確定的可通過合理安排實驗，科學考察其作用大小的因素，例如藥物的種類、劑量，濃度,作用時間等。非處理因素是指對正確評價處理因素的作用有一定干擾，但研究者并不想通過實驗考察其作用大小的因素，例如，病人的病情、病程等。㈠處理因素(studyfactor，treatment)四、實驗設計的基本要素

實驗過程中影響實驗結(jié)果的因素是多方面的，根據(jù)研究目的可分為處10例：藥劑、手術(shù)方法、毒物抓住主要處理因素區(qū)分處理與非處理因素處理因素必須標準化四、實驗設計的基本要素

選擇處理因素應遵循以下基本原則：㈠處理因素(studyfactor，treatment)例：藥劑、手術(shù)方法、毒物四、實驗設計的基本要素選擇處理因素111、要抓實驗中的主要因素

研究者不可能通過一次或幾次實驗把已知的和未知的所有因素都進行研究與分析，只能抓主要因素。例如，我們要改進某種細胞的培養(yǎng)方法，與其有關(guān)的因素很多，如溫度，pH值，培養(yǎng)液,培養(yǎng)時間等。其中每個因素又分若干水平（或等級），如溫度從34℃至38℃，每1℃為一個水平，則有5個水平；pH值從6.5至7.4，每0.1為一個水平，則有10個水平；培養(yǎng)液有2個水平；培養(yǎng)時間有2個水平時，須做5×10×2×2＝200種條件的實驗。如溫度從34℃至38℃，每2℃為一個水平，則有3個水平；pH值從6.5至7.4，有3個水平；培養(yǎng)液有2個水平；培養(yǎng)時間有1個水平時，須做3×3×2×1＝18種條件的實驗。四、實驗設計的基本要素

㈠處理因素(studyfactor，treatment)1、要抓實驗中的主要因素四、實驗設計的基本要素㈠處122、要分清處理因素和非處理因素

例如，研究藥物治療加飲食療法治療糖尿病的效果時，處理因素為藥物治療加飲食療法；而合理的作息時間、運動和其它輔助治療措施也能緩解癥狀，有助于康復，但不是本次研究的處理因素，而是非處理因素。研究者應采取各種措施，盡可能使非處理因素在所比較的各組中基本相同，以便充分顯示處理因素的作用。四、實驗設計的基本要素

㈠處理因素(studyfactor，treatment)2、要分清處理因素和非處理因素四、實驗設計的基本要素㈠133、處理因素必須標準化

處理因素標準化就是如何保證處理因素在整個實驗過程中始終如一，保持不變。如在進行藥物療效的試驗觀察中，所使用藥物的批號、藥品標準等在整個試驗過程中必須一致。實驗設計時，必須制定處理因素標準化的具體措施和方法。四、實驗設計的基本要素

㈠處理因素(studyfactor，treatment)3、處理因素必須標準化四、實驗設計的基本要素㈠處理因素14動物的選擇：種類、品系、年齡、體重、窩別、營養(yǎng)……病例的選擇：納入標準、剔除標準四、實驗設計的基本要素

醫(yī)學研究的受試對象有人和動物，受試對象根據(jù)研究目的而定。例如新藥療效的觀察，一般是先通過動物實驗初步觀察其療效和副作用，然后再作臨床觀察，以確定其療效和副作用。有些實驗則可直接以人作受試對象，如生理、生化正常值的測定等。㈡

受試對象(studysubjects)動物的選擇：種類、品系、年齡、體重、窩別、營養(yǎng)……四、實驗設15選擇受試對象應遵循以下基本原則：

1.動物的選擇實驗研究中，要根據(jù)研究目的選擇動物類型。2.病例的選擇臨床試驗中，由于受試對象是人，病例的選擇須遵循醫(yī)德要求，還必須明確病例的納入和排除標準。㈡

受試對象(studysubjects)四、實驗設計的基本要素

選擇受試對象應遵循以下基本原則：1.動物的選擇㈡

受試16通過某些觀察指標，定量或定性地反映實驗效應。研究者應當對欲研究的問題有較為全面的了解，避免在實驗設計時遺漏重要的觀察指標。四、實驗設計的基本要素

㈢

實驗效應(experimentaleffect)處理因素作用于受試對象的結(jié)果，通過觀察指標表達。觀察指標應客觀、精確、靈敏、特異。通過某些觀察指標，定量或定性地反映實驗效應。四、實驗設計的基17㈢

實驗效應(experimentaleffect)1.

客觀性：盡可能選擇客觀指標。有時，客觀指標也存在判斷的主觀性問題，如X射線胸片是客觀的，但判斷時存在主觀性問題，所以，對于這種情況，須制定明確的判斷標準。2.精確性：

準確度(accuracy)或真實性（validity）：觀察值與真值的接近程度，受系統(tǒng)誤差的影響(如靈敏度、特異度)。

精密度(precision)或可靠性（reliabiliy）或重復性（repeatability）：重復觀察時觀察值與其均值的接近程度，受隨機誤差的影響（如一致百分率、Kappa值）。四、實驗設計的基本要素

㈢

實驗效應(experimentaleffect)118㈢

實驗效應(experimentaleffect)四、實驗設計的基本要素

㈢

實驗效應(experimentaleffect)四19（3）靈敏性應盡量選擇高靈敏性的指標，即選擇高靈敏性的方法對觀察指標進行測量。靈敏度高的方法，往往費用昂貴，應根據(jù)實驗經(jīng)費，選擇既相對廉價，靈敏度又高的測量方法。（4）特異性為了更好地揭示研究問題的本質(zhì)，觀察指標還應具備一定的特異性。例如，在診斷糖尿病時，測定血糖的特異性就比測定尿糖的特異性要高。實驗效應指標應當同時兼顧其靈敏性和特異性，盡量使靈敏性和特異性都高。四、實驗設計的基本要素

㈢

實驗效應(experimentaleffect)（3）靈敏性四、實驗設計的基本要素㈢

實驗效應(exp20指標的觀察（1）對試驗效應的觀察應避免偏倚選擇性偏倚：由于對受試對象的納入和排除標準不明確造成的偏倚。測量性偏倚：由于觀察者或受試對象的主客觀原因造成對試驗效應指標觀察或測量時產(chǎn)生的偏倚?；祀s性偏倚：在臨床試驗總結(jié)分析階段，非處理因素對試驗效應的準確性產(chǎn)生的影響造成的偏倚。（2）應注意處理與效應的關(guān)系處理與效應之間往往存在一定關(guān)系，特別是藥理或毒理實驗研究中，處理與效應通常呈“S”型，低于某劑量的處理不引起機體反應；強處理時，機體反應出現(xiàn)一個峰值；再加強處理機體反應不再增加。在兩個極值之間存在一個正比關(guān)系。因此，實驗設計時應通過預實驗選擇合適的實驗劑量。㈢

實驗效應(experimentaleffect)四、實驗設計的基本要素

指標的觀察（1）對試驗效應的觀察應避免偏倚㈢

實驗效應(21（一）對照（control）（二）隨機（randomization）（三）重復（replication）（四）均衡（equilibrium

）五、實驗設計的基本原則

實驗設計的基本原則

－－對照、隨機、重復、均衡（一）對照（control）五、實驗設計的基本原則實驗設計22有比較才有鑒別，比較的基礎就是對照。設立“對照”正確與否，關(guān)系到科研結(jié)論的正確性及成果價值。設立對照具有極其重要的意義：使實驗組和對照組內(nèi)的非處理因素的基本一致，使處理因素的效應得以顯露；排除或控制自然變化和非處理因素對觀察結(jié)果的影響；消除或減少實驗誤差。五、實驗設計的基本原則

（一）

對照(control)的原則有比較才有鑒別，比較的基礎就是對照。設立“對照”正確與否，關(guān)23（一）

對照(control)的原則①區(qū)分處理因素與非處理因素的效應，是比較的必要基礎

藥物治療例:老年性慢性支氣管炎氣候轉(zhuǎn)暖,自然緩解②消除和減少實驗誤差處理組：對照組：比較結(jié)果處理因素非處理因素+處理效應+非處理效應非處理因素非處理效應處理因素處理效應五、實驗設計的基本原則

對照的意義（一）

對照(control)的原則①區(qū)分處理因素與非處理24處理效應+非處理效應（無）非處理效應處理因素+非處理因素（無）非處理因素比較結(jié)果

處理因素處理效應

處理組對照組排除“非處理因素”的影響，從而襯托出“處理因素”的作用。（一）

對照(control)的原則五、實驗設計的基本原則

處理效應+非處理效應處理因素+非處理因素比較結(jié)果處理因素25對照組設置時必須具備三個條件：專設任何一個對照組都是為相應的實驗組專門設立的。不得借用文獻上的記載或以往研究或其它研究的資料作為本研究的對照組。同步對照組與實驗組設立之后，在整個研究進程中始終處于同一空間和同一時間。對等除研究因素外，對照組具備與實驗組對等的一切因素。（一）

對照(control)的原則五、實驗設計的基本原則

對照組設置時必須具備三個條件：專設任何一個對照組都是26包括：空白對照實驗對照標準對照自身對照相互對照歷史對照五、實驗設計的基本原則

（一）

對照(control)的原則包括：空白對照五、實驗設計的基本原則（一）

對照(con27

㈠空白對照(blankcontrol)：對照組不加任何處理因素。

例如：①實驗組兒童接種疫苗，對照組兒童不接種疫苗。

②試劑空白、血樣空白、無酶解空白、底物空白等。特點：簡單易行，但容易引起心理差異，從而影響實驗效應的測定。

——安慰劑對照(placebocontrol)（一）

對照(control)的原則五、實驗設計的基本原則

㈠空白對照(blankcontrol)：對照組不加任何處28

㈡實驗對照(experimentalcontrol)：施加基礎實驗條件（非處理因素）。含賴氨酸面包+非處理因素→賴氨酸效應

+面包效應+非處理因素效應

面包+非處理因素→面包效應+非處理因素效應賴氨酸賴氨酸效應非處理因素→+非處理因素效應（一）

對照(control)的原則五、實驗設計的基本原則

㈡實驗對照(experimentalcontr29

㈢

標準對照(standardcontrol)：以現(xiàn)有的標準或正常值作對照。

例①某種新的方法能否代替?zhèn)鹘y(tǒng)方法的研究；

②某病患者與正常人的某生理、生化指標是否相同。

——實驗室應用較多（一）

對照(control)的原則五、實驗設計的基本原則

㈢標準對照(standardcontrol)30

㈣

自身對照：在同一受試對象上進行特點：簡單易行，使用廣泛。但若試驗前后某些環(huán)境或自身因素發(fā)生改變，并且會影響試驗結(jié)果，就難以說明問題。

（一）

對照(control)的原則五、實驗設計的基本原則

㈣自身對照：在同一受試對象上進行特點：（一）

31㈤相互對照：幾個實驗組互相對照例如：比較幾種藥物治療同一疾病的療效（一）

對照(control)的原則五、實驗設計的基本原則

對照的形式㈤相互對照：幾個實驗組互相對照例如：比較幾種藥物治療同一32㈥

歷史對照：以過去的研究結(jié)果作對照。與本人或他人過去的研究結(jié)果作比較——不好！！?。。。。ㄒ唬?/p>

對照(control)的原則五、實驗設計的基本原則

對照的形式㈥歷史對照：以過去的研究結(jié)果作對照。與本人或他人過去的研33隨機抽樣指被研究的樣本是從總體中無規(guī)律地抽取出來的，且總體中每一個觀察單位都有同等機會被抽取為樣本成員的可能；在隨機分配中，研究對象均有同等機會被分入試驗各組中。隨機化的意義在于：避免有意或無意夸大或縮小組間差別而使實驗結(jié)果產(chǎn)生偏性；抽樣研究的理論和統(tǒng)計分析方法都是以隨機化為基礎的，要求研究設計必須遵循隨機化的原則。

（二）隨機(randomization)

五、實驗設計的基本原則

隨機抽樣指被研究的樣本是從總體中無規(guī)律地抽取出來的，且總體中34（二）隨機(randomization)隨機化原則：隨機≠“隨便”,指每個受試對象以機會均等的原則隨機地分配到試驗組和對照組。目的是使各組非實驗因素的條件均衡一致，以消除對實驗結(jié)果的影響。實驗設計的基本原則

（二）隨機(randomization)隨機化原則：隨機≠“35隨機與隨意隨機：random機會均等，客觀性隨意：aswill隨主觀意愿，主觀性隨機化分組，不僅能控制已知的混雜因素（非研究因素），而且還能控制未知的混雜因素。（二）隨機(randomization)實驗設計的基本原則

隨機與隨意隨機：random機會均等，客觀性（36隨機的含義抽樣隨機－代表性每一個符合條件的研究對象被收入研究范疇的機會相同，即總體中每個個體有相同的機會被抽到樣本中來。分組隨機－均衡性

每個研究對象被分配到不同處理組的機會相同。實驗順序隨機－平衡順序或季節(jié)的影響每個研究對象先后接受處理的機會相同。（二）隨機(randomization)實驗設計的基本原則

隨機的含義抽樣隨機－代表性（二）隨機(randomizati37隨機化的實施

隨機化分配（randomizedallocation）方法：

隨機數(shù)字表表內(nèi)數(shù)字相互獨立，全部數(shù)字無論從橫行、縱行或斜向等各種順序均呈隨機狀態(tài)。因此，使用時可從任何一個數(shù)字開始，按任意一個順序錄用。隨機排列表隨機排列表比隨機數(shù)字表更有實用性。分別有n為10、20、30、40、50、100等不同自然數(shù)排列而成的6種隨機排列表。rs是每行或每列數(shù)字與順序的等級相關(guān)系數(shù)，rs越小表示數(shù)字排列隨機化程度越好。實驗設計的基本原則

（二）隨機(randomization)隨機化的實施隨機化分配（randomizedall38隨機化分組方法1.

隨機數(shù)字表分組2.隨機排列表分組3.

計算器或計算機實驗設計的基本原則

（二）隨機(randomization)隨機化分組方法1.

隨機數(shù)字表分組實驗設計的基本原則（二39隨機數(shù)字表分組例試將10頭動物應用隨機數(shù)字表分配到甲、乙兩組。⑴按動物體重編號⑵從附表15的第21行，第21列往上查10個隨機數(shù)⑶規(guī)定雙號為甲組，單號為乙組⑷調(diào)整：再接著查一個“6”以內(nèi)的隨機數(shù)，以決定甲組中哪一號撥到乙組。本例查得隨機數(shù)為4，將甲組第4個（5號）調(diào)到乙組。隨機數(shù)字表分組例試將10頭動物應用隨機數(shù)字表分配到甲、乙40例:按完全隨機設計方法將10只小鼠隨機分配到甲、乙兩組先將小鼠按體重由小到大編號；再從“隨機數(shù)字表”中任意指定某行某列，如從第31行13列開始，向右抄錄10個兩位數(shù)的隨機數(shù)字，依次錄于小鼠編號下；按預先規(guī)定，將隨機數(shù)字為奇數(shù)者分到甲組，偶數(shù)者分到乙組。分組情況如下：隨機分組的結(jié)果是第4、6、7、10號小鼠被分到甲組，第1、2、3、5、8、9號小鼠被分到乙組。隨機數(shù)字表分組例:按完全隨機設計方法將10只小鼠隨機分配到甲、乙兩組隨機分41例:按完全隨機設計方法將15名患者隨機分為甲,乙,丙3組。先按患者的就診順序編號；再從“隨機數(shù)字表”中任意指定某行某列，如從第6行29列開始,向右錄入15個兩位數(shù)的隨機數(shù)字，并依次列于各患者編號之下；最后將隨機數(shù)字從小到大編秩后得序號R，并規(guī)定R：1~5者為甲組，6~10者為乙組，11~15者為丙組。結(jié)果如下：注意：①隨機數(shù)字的位數(shù)不應小于n的位數(shù)，遇有相同的隨機數(shù)字應舍去。②如果設計上需要各組例數(shù)不相等時，可利用R調(diào)整各組例數(shù)。③當n較大時（如n>100），可用計算機排列出隨機數(shù)字的序號R。隨機數(shù)字表分組例:按完全隨機設計方法將15名患者隨機分為甲,乙,丙3組。注42例:按完全隨機設計方法將10只小鼠隨機分配到甲、乙兩組先將小鼠按體重由小到大編號；再從“隨機排列表”中任意指定一行，如第3行，依次將0~9之間的隨機數(shù)字錄于小鼠編號下（遇9以上的數(shù)字應舍去）；按預先規(guī)定，將隨機數(shù)字為奇數(shù)者分到甲組，偶數(shù)者分到乙組。分組情況如下：隨機分組的結(jié)果是第1、4、6、8、9號小鼠被分到甲組；第2、3、5、7、10號小鼠被分到乙組。隨機排列表分組例:按完全隨機設計方法將10只小鼠隨機分配到甲、乙兩組隨機分43例:按完全隨機設計方法將15名患者隨機分為甲,乙,丙3組先按患者的就診順序編號；再從附表“隨機排列表”中任意指定一行，如第21行，依次將0~14之間的隨機數(shù)字錄于各患者編號下（遇14以上的數(shù)字應舍去）；按預先規(guī)定，將隨機數(shù)字為0~4的患者分入甲組，5~9的患者分入乙組，10~14的患者分入丙組。結(jié)果如下：隨機分組的結(jié)果是第4、6、8、11、15號患者分入甲組，第3、5、9、12、14號患者分入乙組，第1、2、7、10、13號患者分入丙組。隨機排列表分組例:按完全隨機設計方法將15名患者隨機分為甲,乙,丙3組隨機44計算(器)機隨機化分組計算(器)機隨機化分組45重復(replication)是指各處理組與對照組要有一定樣本含量(samplesizes)。無限地增加樣本含量，將加大實驗規(guī)模，延長實驗時間，浪費人力物力，反而增加系統(tǒng)誤差出現(xiàn)的可能性。

樣本含量不足，檢驗效能（Power，1－β）偏低，導致總體中本來具有的差異無法檢驗出來。（三）重復(replication)實驗設計的基本原則

重復(replication)是指各處理組與對照組要有一定樣46四個主要因素：

、1－