試驗設(shè)計與數(shù)據(jù)處理

1、實驗設(shè)計與數(shù)據(jù)處理實驗設(shè)計數(shù)據(jù)處理，程江峰教授，課程教學(xué)平臺，推薦參考書，課堂教學(xué)，計算機實踐，推薦參考書，徐秉久主編。藥物統(tǒng)計學(xué)。北京：北京醫(yī)科大學(xué)出版社，1999。由楊德編輯。實驗設(shè)計和分析。北京：中國農(nóng)業(yè)出版社，2002。袁志發(fā)，周靖宇，主編。實驗設(shè)計和分析。北京：高等教育出版社，2000。李云燕和胡傳榮編。實驗設(shè)計和數(shù)據(jù)處理。北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2005。課堂教學(xué)目錄。第一章概述了第二章實驗設(shè)計的概念和原理，第三章實驗統(tǒng)計基礎(chǔ)和EXCEL簡介，第四章簡單實驗設(shè)計和統(tǒng)計分析，第五章方差分析，第六章回歸和相關(guān)分析，第七章正交實驗設(shè)計和分析。其方法可分為三個層次，即哲學(xué)方法；一般研究方法(

2、如科學(xué)實驗、科學(xué)抽象、數(shù)學(xué)方法等。)；各種科學(xué)中的一些專門的特殊研究方法。實驗設(shè)計屬于一般研究方法中科學(xué)實驗方法的范疇，是實驗方法和數(shù)學(xué)方法，特別是統(tǒng)計方法交叉形成的科學(xué)。這是一門研究如何計劃和安排實驗以及分析結(jié)果的科學(xué)?？萍既藛T可以掌握和應(yīng)用各種先進的實驗設(shè)計和結(jié)果分析方法，提高自身的質(zhì)量和科學(xué)實驗水平，加快科學(xué)研究的進程。實驗設(shè)計在科學(xué)研究的不同階段，探索性實驗在研究的初始階段。簡單設(shè)計實驗的目的是闡明某一因素的作用。如對照試驗和對比試驗。篩選試驗的目的是確定關(guān)鍵因素或許多因素中的優(yōu)秀水平。如單因素多水平測試(網(wǎng)格設(shè)計等。)；幾個層次的多因素實驗(如混合設(shè)計、不完全區(qū)組設(shè)計、均勻設(shè)計、正交

3、設(shè)計等)。)。對中期析因?qū)嶒灪投嘁蛩匚鲆驅(qū)嶒炦M行研究，以便深入分析主要因素的作用及其相互關(guān)系。如拉丁方設(shè)計、交替設(shè)計、分割設(shè)計、正交設(shè)計等。研究后期優(yōu)化試驗的目的是深入研究幾個關(guān)鍵因素及其相互關(guān)系，進行優(yōu)化設(shè)計。如回歸設(shè)計、公式設(shè)計和穩(wěn)健設(shè)計。第2章，實驗設(shè)計的概念和原則，2.1實驗的基本概念，2.1.1群體和樣本，群體的定義：它由所有具有共同屬性的個體組成。個人是可以獨立觀察和研究的對象或一定數(shù)量的材料。例如，制藥廠某一產(chǎn)品中有效藥物的含量；中國部分中藥材中總苷的含量。樣本定義：按照一定的程序從群體中抽取的數(shù)量相對較少的一組個體，稱為群體樣本。例如，分析選定樣品后獲得的有效藥物含量值；選擇一

4、定數(shù)量的中藥材測定總苷含量。樣本大小(Sample size)樣本中包含的個體(或采樣單位)數(shù)量。通常超過30個樣品是大樣品。2.1.2試驗因素、水平、處理、試驗中安排的因素或試驗因素。事實上，影響科學(xué)實驗結(jié)果的因素有很多，但在進行實驗時只能選擇少數(shù)幾個。在預(yù)定的實驗中，每個因素的特定測量被稱為該因素的某個水平。治療在多因素實驗中，不同水平的不同因素的組合稱為治療；在單因素實驗中，這個因素的不同水平也可以稱為治療。2.1.3單元試驗、重復(fù)試驗、試塊試驗和單元試驗中要處理的基本對象。比如醫(yī)學(xué)實驗中的老鼠和醫(yī)院里的病人。在實驗中，每種治療方法經(jīng)常被測試不止一次，這被稱為治療的復(fù)制。當(dāng)一個批次被安排

5、時，它集中在一個特定的區(qū)域(周期、空間等)。)。2.1.4、試驗誤差及其來源、分類、試驗誤差(Error)在科學(xué)實驗中，由于許多非加工因素的干擾和影響，每次加工的觀測測量結(jié)果都會與加工的真實值有一定的偏差，而這種偏差就是試驗誤差。測試單元之間的固有差異、測試單元操作方法之間的差異、測試單元之間的環(huán)境差異、分類隨機誤差、系統(tǒng)誤差、總誤差)，2.1.5精度、準(zhǔn)確度和精密度表示測試結(jié)果中隨機誤差的程度。它是在試驗的特定條件下，通過多次獨立測量獲得的結(jié)果之間的一致程度。準(zhǔn)確性也被稱為準(zhǔn)確性。它表示測試處理的測量結(jié)果和測量處理真實值之間的接近度。它反映了實驗測量結(jié)果中系統(tǒng)誤差和隨機誤差的組合。準(zhǔn)確度表示

6、測試測量結(jié)果中系統(tǒng)誤差的程度。它反映了在特定條件下測試測量中所有系統(tǒng)誤差的綜合。2.1.6提高試驗準(zhǔn)確性的主要途徑是選擇試驗處理方法，注意試驗材料的控制，改進試驗技術(shù)的統(tǒng)計方法，2.2試驗設(shè)計原則，2.2.1獨特差異原則。當(dāng)比較兩種處理的平均值時，只有由它們之間的差異引起的獨特差異，而其他測試條件應(yīng)該保持在相同的背景上。2.2.2實驗設(shè)計的基本原則，為了控制干擾因素造成的差異，減少實驗誤差，實驗設(shè)計應(yīng)遵循以下三個基本原則：重復(fù)隨機化區(qū)域控制，第3章，實驗統(tǒng)計基礎(chǔ)和EXCEL介紹，3.1實驗統(tǒng)計基礎(chǔ)，3.1.1實驗數(shù)據(jù)類型，實驗結(jié)果顯示定量變化時的定量數(shù)據(jù)，以及通過計數(shù)或測量獲得的數(shù)據(jù)。計數(shù)數(shù)據(jù)

7、：計數(shù)法得到的數(shù)據(jù)是不連續(xù)的變量數(shù)據(jù)。值通常是正整數(shù)。比如人類白細胞計數(shù)。測量數(shù)據(jù)：從測量中獲得的數(shù)據(jù)是連續(xù)變量數(shù)據(jù)。它不一定是整數(shù)，但通常有不同的有效數(shù)字。比如藥片的重量。質(zhì)量數(shù)據(jù)當(dāng)測試結(jié)果顯示屬性變化時，獲得的數(shù)據(jù)只能在不同的類別中處理。命名數(shù)據(jù)：不同類別的數(shù)據(jù)在順序大小上沒有區(qū)別，只有屬性上的不同名稱。它可以按屬性類別分組和計數(shù)，有時也稱為頻率數(shù)據(jù)。比如人類的血型。順序數(shù)據(jù)：不同類別的數(shù)據(jù)在順序大小上有所不同。例如，疾病治療的療效是治愈、提高和無效的。它可以按屬性類別分組和計數(shù)，有時也可以量化。3.1.2試驗數(shù)據(jù)的初步分析，可利用樣品的基本統(tǒng)計參數(shù)進行。平均值/平均值算術(shù)平均值、加權(quán)平均

8、值、范圍：一組數(shù)據(jù)中最大值和最小值之間的差值。方差(s2，2)和標(biāo)準(zhǔn)差(s)，方差標(biāo)準(zhǔn)差樣本方差：樣本標(biāo)準(zhǔn)差：總體方差：總體標(biāo)準(zhǔn)差：3.2 EXCEL統(tǒng)計函數(shù)簡介，3.2 EXCEL界面，3.2.2數(shù)據(jù)，公式和函數(shù)，數(shù)據(jù)輸入技能復(fù)制數(shù)據(jù)序列填充公式輸入公式編輯單元格引用，常用函數(shù)和格式總和(數(shù)字1，數(shù)字2)，平均值(數(shù)字1，數(shù)字2)，方差總計：VARP(數(shù)字1，數(shù)字2)，樣本：VAR(數(shù)字1，數(shù)字2)，標(biāo)準(zhǔn)差總體：STDEVP 數(shù)字2)，范圍最大值(數(shù)字1，數(shù)字2)，-最小值(數(shù)字1，數(shù)字2，)，3.2.3隨機數(shù)函數(shù)在采樣中的應(yīng)用，隨機數(shù)生成函數(shù)RAND()隨機采樣示例：從1000個瓶子中選擇

9、10個瓶子作為樣本。 使用公式：ROUND(RAND()*1000，0)，在臨床試驗中患者被隨機分配治療方法：20名患者被隨機分配服用有效藥物和安慰劑。方法1: ROUND(RAND()*10，0)和方法2:隨機數(shù)排序。、3.2.4統(tǒng)計分析工具的使用，調(diào)用統(tǒng)計分析工具EXCEL菜單工具數(shù)據(jù)分析的操作(19種)如果找不到此選項，菜單工具外接程序?qū)z查分析工具庫，數(shù)據(jù)分析工具將使用實例來描述統(tǒng)計。第4章簡單試驗設(shè)計和統(tǒng)計分析，正態(tài)分布和標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布，以及正態(tài)分布，如果總體上符合正態(tài)分布，則記錄為：xn。x的概率密度函數(shù)為：標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布是平均值為0、標(biāo)準(zhǔn)差為1的正態(tài)分布。任何正態(tài)分布都可以通過簡單的

10、變量變換轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布，即如果U=(X- )/，則：UN(0，1)，4.1不相關(guān)樣本的方差比較，4.1.1 F分布，以及兩個具有共同方差的獨立正態(tài)總體。樣本量為n1的樣本來自第一個總體，另一個樣本來自第二個總體，其樣本量為n2，因此，f分布可用于檢驗均值的差異(方差分析)和方差是否相等，即f檢驗。4.1.2兩個變量的假設(shè)(顯著性)檢驗，實施例1:比較通過兩個不同步驟制備的粉末產(chǎn)品的混合程度是否均勻一致?？捎脤嶒炘O(shè)計：隨機抽取7份相同重量的粉末混合物樣品，分析其中活性物質(zhì)(mg)的含量。假設(shè)檢驗步驟：提出假設(shè)：H0: 12=22H1: 1222確定檢驗水平：預(yù)定概率值，一般取0.05(雙尾檢

11、驗)來選擇檢驗方法，計算統(tǒng)計量：F=8.33或0.12，與臨界值比較，并作出統(tǒng)計推斷結(jié)論：用兩個樣本的方差進行EXCEL數(shù)據(jù)分析，臨界值的計算也可以用FINV函數(shù)(其反函數(shù)FDIST)。格式：finv(概率，自由度1，自由度2)；FDIST(F，deg_freedom1，deg_freedom2).結(jié)論：FF0.025(6，6)=5.82，P0.025。在=0.05(雙尾)水平上，H0被剔除，兩步法制備的粉末產(chǎn)品混合程度不同。4.2樣本平均值的比較，4.2.1單樣本U檢驗，從正常人群N(，2)中，重復(fù)隨機選擇樣本大小為N的樣本，然后將N(，2/n)進一步轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布，然后有：實施例2:改

12、革片劑藥物的生產(chǎn)工藝。研究新技術(shù)是否對成品片劑的平均藥物含量有影響。眾所周知，過去幾年收集的大量數(shù)據(jù)表明，平均藥物含量為50.3毫克，標(biāo)準(zhǔn)偏差為1.5毫克。實驗設(shè)計：從一批新技術(shù)生產(chǎn)的片劑中隨機選取10片，并分析其藥物含量(毫克)。假設(shè)檢驗步驟：提出假設(shè)：H0:=50.3H1: 50.3確定檢驗水平：0.05(雙尾檢驗)計算統(tǒng)計量U值：樣本的平均值可以通過函數(shù)AVERAGE得到；計算統(tǒng)計量u:將其與臨界值進行比較，并作出統(tǒng)計推斷結(jié)論：用NORMSINV函數(shù)(其反函數(shù)為NORMSDIST)計算臨界值。格式：NORMSINV(概率)；)；結(jié)論：在0.05的水平上，H0被接受。新技術(shù)對成品片劑的平均

13、含量沒有顯著影響。4.2.2 t分布(學(xué)生t分布)，如果樣本量為N的樣本是從正態(tài)總體N(，2)中反復(fù)隨機選取的，則：t分布曲線的形狀與樣本量(自由度)有關(guān)，但它們都是關(guān)于平均值0對稱的。t檢驗通常用于比較樣本的平均值。4.2.3單樣本t檢驗，實施例2:如果總標(biāo)準(zhǔn)偏差未知，則需要t檢驗。假設(shè)檢驗步驟：提出假設(shè)：H0:=50.3H1: 50.3確定檢驗水平：0.05(雙尾檢驗)計算統(tǒng)計量T值：樣本平均值和標(biāo)準(zhǔn)差分別由函數(shù)AVERAGE和STDEV獲得；計算統(tǒng)計量t:與臨界值比較，得出統(tǒng)計推斷結(jié)論：用TINV函數(shù)(其反函數(shù)為TDIST)計算臨界值。格式：tinv(概率，自由度)；t，自由度，尾部).

14、結(jié)論：t0.05，在=0.05的水平上，H0被接受。新技術(shù)對成品片劑的平均含量沒有顯著影響。兩個獨立樣品的測試實施例3:一種由藥物制成的片劑已經(jīng)投放市場，現(xiàn)在研究人員想改進其配方。我想確定是否解散ra實驗設(shè)計：從新配方和市售片劑中隨機抽取10片，在同一溶出儀中測定15分鐘后的溶出百分率。假設(shè)檢驗步驟：檢驗方差是否相同：通過f檢驗，F(xiàn)=1.410.025，在=0.05(雙尾)水平上，新配方與市售配方溶出度的方差無顯著差異。提出假設(shè)：H0: 1=2H1: 1 2確定檢驗水平：0.05(雙尾檢驗)計算統(tǒng)計T值：在EXCEL數(shù)據(jù)分析中使用T檢驗：兩個樣本等方差假設(shè)。t值(同方差)的計算公式為：并與臨界

15、值比較，得出統(tǒng)計推斷結(jié)論：臨界值也可用TINV函數(shù)(其反函數(shù)為TDIST)計算。結(jié)論：t=1.090.05，H0評分為0.05。新配方和市售配方的溶出度沒有顯著差異。如果方差不同(f檢驗顯著)，則應(yīng)在EXCEL數(shù)據(jù)分析中用T檢驗進行檢驗：雙樣本異方差假設(shè)。統(tǒng)計t值的計算公式應(yīng)為：4.2.5配對(配對)樣本t檢驗，實施例4:調(diào)查市場上新藥配方的生物利用度。實驗設(shè)計：為了觀察六只實驗動物對藥物的吸收，每只動物在兩個不同的時間隨機服用兩種藥物。結(jié)果表示為血液濃度隨時間變化曲線下的面積(AUC)。假設(shè)檢驗步驟：通過計算兩個樣本之間的差異，將其轉(zhuǎn)化為單樣本t檢驗。提出假設(shè)：H0:=0H1: 0，確定檢驗水平：0.05(雙尾檢驗)，計算統(tǒng)計T值：計算公式為：與臨界值比較，并作出統(tǒng)計推斷結(jié)論：在EXCEL數(shù)據(jù)分析中可采用T檢驗：配對雙樣本平均值分析。結(jié)論：t=3.480.05(5)=2.57，P0.05。在=0.05的水平上，H0被拒絕。新配方和市售配方的生物利用度有顯著差異