常用實驗設計方法王萬榮講解

常用實驗設計方法

主講：王萬榮點擊添加文本點擊添加文本點擊添加文本點擊添加文本學習內(nèi)容配對設計交叉設計析因設計1236隨機區(qū)組設計5完全隨機設計4正交實驗設計7盲法設計

完全隨機設計也稱為單因素設計，該設計只能分析一個處理因素的作用。處理因素可有2個或2個以上水平，每個水平代表一個分組?？捎贸楹灧ā⒆ヴb法或隨機數(shù)字法等將受試對象隨機分配到各實驗組及對照組中。該設計的特點是，簡單方便，應用廣泛，容易進行統(tǒng)計分析；但只能分析一個因素的作用，效率相對較低。如果只有兩個分組時，可用t檢驗或單因素方差分析處理資料。如果組數(shù)大于等于3時，可用單因素方差分析處理資料。一、完全隨機設計

常用實驗設計方法該設計用于臨床試驗，可稱為臨床試驗設計中的隨機對照試驗；如果其中采用了盲法設計，則又稱為隨機盲法對照試驗。注意，在受試對象分組前，應使其非處理因素盡量達到均衡，然后再采用隨機方法對受試對象進行分組，這樣才能使得各組的可比性高，均衡性強。例1

按單因素設計要求，將15只動物等量分為A、B、C三組。設計及分組步驟如下。（1）選取15只品系相同，性別相同，年齡相同或相近，體重相近的動物15只。（2）將15只動物任意編號為1～15號。表2單因素設計動物分組方法（3）查附表17，“隨機排列表”，預先規(guī)定：從該表第12行順序查抄1～15范圍內(nèi)的隨機數(shù)字15個，小于1及大于15的數(shù)字舍去。數(shù)字1～5歸入A組，6～10歸入B組，11～15歸入C組。（4）15只動物分組方法及結果，見表1。配對設計是將受試對象按一定條件配成對子，分別給予每對中的兩個受試對象以不同的處理。配對的條件是影響實驗效應的主要非處理因素。在這些非處理因素中，動物主要有：種屬，性別，年齡，體重，窩別等因素；人群主要有：種族，性別，年齡，體重，文化教育背景，生活背景，居住條件，勞動條件等。其中病人還應考慮疾病類型，病情嚴重程度，診斷標準等方面。配對設計的目的是降低、減弱或消除兩個比較組的非處理因素的作用。二、配對設計該設計的特點是：可以節(jié)約樣本含量，增強組間均衡性，提高試驗效率，減輕人力、物力和財力負擔。在臨床試驗中，配對設計應用廣泛。醫(yī)學科研中常見的配對設計有下列三種類型：（1）配對設計將兩個條件相近的受試對象按1:1配成對子，然后對每對中的個體隨機分組，再施加處理因素觀察效應。（2）自身對照設計臨床上常見情況是，把病人治療前與治療后的檢測指標值作為一對數(shù)據(jù)。若干個病人的檢測值作為若干對數(shù)據(jù)。這種設計為配對設計中的一種。（3）同一標本用兩種方法檢測采集的同一份標本或樣品如果用兩種方法進行檢測，則得到一對數(shù)據(jù)。檢測一批樣品則得到若干對數(shù)據(jù)。此種設計也屬于配對設計。交叉設計是一種特殊的自身對照設計。它克服了由于施加于受試對象的處理因素在時間上的不同而導致的試驗效應的偏差。（一）交叉設計的特點1.節(jié)約樣本含量，試驗效率高。2.可以均衡因施加處理因素的時間順序不同對試驗效應的影響。3.每個受試對象均可接受A和B兩種處理因素。4.需用交叉設計的方差分析方法處理數(shù)據(jù)，其計算稍嫌繁瑣。三、交叉設計例2試將10對受試者隨機分入甲、乙兩處理組。先將受試者編號，如第一對第1受試者編為1.1，第2受試者編為1.2，余仿此。隨機指定附表17隨機排列表第2行，舍去10～19之間的數(shù)字，并規(guī)定單數(shù)取甲乙順序，雙數(shù)取乙甲順序。表2按配對設計的要求將10對病人進行分組5.要求兩種處理因素不能相互影響。觀察時間不能過長，處理效應不能持續(xù)過久。6.臨床試驗設計中，不適合于急性病的療效觀察。由于急性病的病程較短，在試驗的第一階段該病可能已經(jīng)治愈，則在第二階段不可能再顯示出療效。7.該設計應采用雙盲法設計較好，以避免試驗執(zhí)行者和病人的心理偏見。（二）設計方法

1.先將條件相近的受試對象按1:1配成若干對子；2.用隨機方法將每對中的兩個個體分為兩組；3.決定兩個組中的哪個組的受試對象先用A處理因素，后用B處理因素；另一組的受試對象則與此相反。例如，第一組先給A，第二組先給B；經(jīng)一定時間后，第一組再給B，第二組再給A。4.在試驗的不同時期即前后兩個階段，A與B兩種處理因素既同時使用又交叉使用。兩組中A結果與B結果之差即為試驗效應。例3

已配成對子的10對病人（共計20例），請將他們按交叉設計要求進行A、B兩種處理方式的隨機分配。分組方法及步驟如下。（1）將10對病人任意編為1～10號，再將每對病人依次編號為1.1、1.2，2.1、2.2，…等。（2）查附表17隨機排列表。任意指定隨機排列表一行，比如從該表第9行，舍去10～20，將隨機數(shù)字列于表10-6中。若遇隨機數(shù)字的單數(shù)，則對子中的第1個病人先A后B，對子中的第2個病人先B后A。若遇雙數(shù)，則對子中的第1個病人先B后A，第2個病人先A后B。余類推。表3按交叉設計要求對10對病人進行分組注意：所謂“先A后B”是指試驗開始的第一階段，先對相應病人使用A處理因素；在試驗的第二階段對該病人使用B處理因素?！跋菳后A”的意義與此相反。隨機區(qū)組設計也稱為配伍組設計或雙因素設計。它是1:1配對設計的擴大。該設計是將受試對象按配對條件先劃分成若干個區(qū)組或配伍組，再將每一區(qū)組中的各受試對象隨機分配到各個處理組中去。四、隨機區(qū)組設計①進一步提高了各區(qū)組及處理組的均衡性及可比性；②可控制一般設計中的混雜性偏倚；③節(jié)約樣本含量，增強試驗效率；④可同時分析兩個處理因素的作用，且兩因素應相互獨立，無交互作用；⑤每一區(qū)組中受試對象的個數(shù)即為處理組數(shù)，每一處理組中受試對象的個數(shù)即為區(qū)組數(shù)；⑥可用雙因素方差分析方法處理數(shù)據(jù)，計算較為繁瑣；⑦應特別注意該設計中受試對象的區(qū)組分組方法和處理組分組方法，否則將影響到該設計的均衡性及試驗效率。該設計的特點：例4

研究人員在進行科研時，要觀察2個因素的作用。欲用20只動物分為五個區(qū)組和四個處理組。試進行設計及分組。設計及分組方法和步驟如下：（1）該設計可采用隨機區(qū)組設計方案。分析的兩個因素的作用可分別列為區(qū)組因素和處理組因素。兩因素服從正態(tài)分布、方差齊性且相互獨立。（2）取同一品系的動物20只。其中每一區(qū)組取同一窩出生的動物4只。五個區(qū)組即為五個不同窩別的動物。（3）將每一區(qū)組的4只動物分別順序編號為1～4號，5～8號，9～12號，13～16號，17～20號，接受A、B、C、D四種處理方式。（4）查附表

隨機排列表，任意指定5行，如第9至第13行。每行只隨機取數(shù)1～4，其余數(shù)舍去。依次將隨機數(shù)字記錄于各配伍組的編號下，其隨機數(shù)字即為該動物應分入的處理組，見表4。表4按隨機區(qū)組設計要求對20只動物進行分組表520只動物的分組結果

五、析因設計(一)概念及特點析因設計也稱為析因實驗，是一種多因素的交叉分組設計。它不僅可檢驗每個因素各水平間的差異，而且可檢驗各因素間的交互作用。交互作用是指兩個或多個因素的作用相互影響，各因素間互不獨立，一個因素的水平有改變時，另一個或幾個因素的效應也相應有所改變。交互作用的結果是使總的試驗效應增強或降低。

最簡單的析因設計為2×2（或22）析因設計。其意義為：試驗中共有2個因素，每個因素各有兩個水平。再如，2×2×2（或23）析因設計，表示試驗中有三個因素，每個因素各有兩個水平。數(shù)字表達式中的指數(shù)表示因素個數(shù)，底數(shù)表示每個因素的水平數(shù)。析因設計的特點是：①可分析多個因素多個水平的試驗效應，可以分析各因素的獨立作用及其各級交互作用；②節(jié)省樣本含量，試驗效率高；③設計時較為復雜，計算較為繁瑣?？捎梦鲆蛟O計的方差分析處理數(shù)據(jù)。當因素個數(shù)較多時，計算量大，計算工作相當繁瑣，對計算結果的解釋也會變得十分錯綜復雜。2×2析因實驗作用模式

表52×2析因設計作用模式

（二）交互作用的類型設實驗研究中有A、B、C、D四種因素，其交互作用的類型如下。（1）獨立作用：A、B、C、D，是四個因素各自的單獨作用。（2）一級交互作用：A×B，A×C，A×D，B×C，B×D，C×D，是任意兩個因素的共同作用。（3）二級交互作用：A×B×C，A×B×D，A×C×D，B×C×D，是任意三個因素的共同作用。（4）三級交互作用：A×B×C×D，是四個因素的共同作用。上述獨立作用與交互作用總共需進行15次試驗，目的在于得出各因素的最佳水平及其組合。隨著試驗因素的增加，交互作用及試驗次數(shù)會急劇增加。當試驗次數(shù)很多時，則宜采用正交試驗設計。六、正交試驗設計(一)

概念及特點正交試驗設計是一種高效的多因素試驗的設計方法。它利用一套規(guī)格化的正交表，合理地安排實驗，通過對實驗結果進行分析，獲得有用的信息。正交設計的特點是：①可分析三個及三個以上因素的作用及其交互作用。②用最少的試驗次數(shù)獲得更多的信息。③可用方差分析處理正交設計的測量數(shù)據(jù)，但計算十分繁瑣。

（二）設計方法及步驟正交實驗設計的步驟如下。（1）根據(jù)研究目的選擇因素及其水平數(shù)；（2）選擇正交表正交表是已經(jīng)制好的統(tǒng)計用表，專供正交實驗設計使用。表格的類型表示符號為Ln(tk)。其中n

表示一套試驗所需受試對象的個數(shù)，t表示每個因素的水平數(shù)，k表示可分析的因素數(shù)。例如，L8（27）的意義為：一套試驗需8個受試對象，每個因素有2個水平，最多可分析7個因素的作用及其交互作用。選擇哪一種正交表取決于某項研究的因素數(shù)，各因素水平數(shù)及各因素間交互作用的項數(shù)。（三）正交表應用實例分析例6根據(jù)研究目的選擇一個L4（23）正交表，并對該正交表及其特點作出分析。

表6L4（23）正交表

1.分析該正交表L4（23）的意義為：每套試驗選擇4個受試對象，此處指表中試驗號。最多可安排3個試驗因素，用列號表示。每因素有2個水平，水平1和水平2由表中數(shù)字1和數(shù)字2表示。在1號試驗中，第1，2，3列安排的3個因素均取水平1；第2號試驗中，第1，2，3列的因素則分別取1，2，2水平；余類推。2．該正交表的特點(1)每列中出現(xiàn)水平1和水平2的次數(shù)相等。(2)對于任意兩列的同一橫行，由兩個數(shù)字構成數(shù)據(jù)對。本例的數(shù)據(jù)對有：（1，1），（1，2），（2，1），（2，2）。在整個正交表中，上述四個不同數(shù)據(jù)對出現(xiàn)的次數(shù)相等。例如，在第1，2列同一橫行中，數(shù)據(jù)對（1，1），（1，2）各出現(xiàn)一次；在第1，3列的同一橫行中，這兩個數(shù)據(jù)對又各出現(xiàn)一次；在第2，3列中，這兩個數(shù)據(jù)對又再出現(xiàn)一次。這兩個不同的數(shù)據(jù)對總共各出現(xiàn)3次。出現(xiàn)次數(shù)相等。其余二個數(shù)據(jù)對出現(xiàn)次數(shù)也相等。七、盲法設計

盲法設計是指使研究人員或病人不知道具體的研究設計方案，從而避