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1、科研设计概述、实验设计,一种研究要最有效的实行，需要科学的设计方法，才能得出客观和有效的结论。,上海第二军医大学卫生统计学教研室 孟 虹,本次课程内容重点,一、实验研究的对照问题二、样本例数及把握度（power）三、常用实验设计方案的选择,医学研究,疾病的病因学、危险因素研究药物疗效或治疗方法比较研究疾病的现况、疾病的预后研究诊断方法试验研究应采用什么设计和如何设计？应如何控制研究误差和偏倚？数据采用回顾性（已有资料），还是重新收集数据？,研究设计类型,设计类型 性质 随机对照实验（试验）前瞻性 队列研究 前瞻性队列（或回顾队 列）病例对照研究 回顾性 横断面调查研究 横断面 资料的叙述性报告
2、 回顾回答研究的问题，采用哪个设计？,实例,例：一项“硝普钠、多巴胺、多巴酚丁胺联合治疗难治心力衰竭疗效”研究，对59例难治心力衰竭患者按血压高（A组）低（B组)分为2组，两组均在原始治疗基础是给予硝普钠、多巴胺、多巴酚丁胺联合治疗。结果：A组有效率为86.7，B组有效率为65.5，两组有效率比较 p0.05。结论：1.硝普钠、多巴胺、多巴酚丁胺联合治疗难治心力衰竭有良好效果；2.血压高的患者比血压低的心衰控制效果好。,问题讨论,问：1.研究目的是多药联合治疗难治心力衰竭疗效”，结论成立吗？2.该设计能否达到研究目的？主要的问题是什么？3.文中A组有效率为86.7，B组有效率为65.5，两组有
3、效率比较 p0.05，回答什么问题？,一、科研设计概述,医学研究设计类型：根据是否给予干预因素 观察性研究：描述性研究 分析性研究 类型 实验性研究：动物实验研究 临床试验研究 现场人群试验研究,实验研究（experimental study）,特点：研究者能主动对研究对象1）进行随机分组2）施加某种干预（处理）因素3)控制组间的条件，观察不同处理因素组间的实验效应。目的：了解干预（处理）是否有作用研究时序：先因-后果,观察性研究（observation study）,观察性研究可以前瞻观察和回顾性观察。特点：研究者不能人为对研究对象施加某种干预措施或随机分组、控制某些影响因素对结果的影响，只
4、是客观记录某因素存在与否对疾病的危害或转归情况。例：了解吸烟组和不吸烟组人群患肺癌情况,研究设计的内容（事先的计划）,分专业设计和统计设计两部分。专业设计:主要是选题，建立假说、确定研究对象、指标和实验技术方法等。统计设计:则是围绕专业设计，安排设计类型、估计样本大小、控制影响因素，如何显示实验结果。统计设计作用：保证结果科学性、可靠性和经济性。,二、实验研究(Experimental study),实验研究设计的主要任务人为施加干预因素于受试对象，同时控制非实验因素的影响，显示干预（实验）因素的效果。明确实验研究的三要素：实验因素 实验对象 实验效应,根据研究目的确定实验因素,实验因素和水平
5、 实验因素是研究者需阐明因素，因素的分类称为水平。由实验水平数组成研究的处理组数。例实验因素 水 平温度 20 25 30 用药 试验药 对照药,实验对象或实验单位,实验对象：是实验因素的承受者，可以为动物、人或标本。实验对象应有特点和条件：1.实验前应具有同质性和入选条件（纳入标准和排除标准）。2.对处理因素的反应，应具有敏感性。,实验效应,根据实验因素作用机制，明确效应指标，指标应具有客观性和敏感性。实验效应或结局指标：一般确定12个主要效应指标，其他作为次要效应指标。主要效应指标有统计意义，说明处理有作用。（主要效应指标也是计算样本例数的依据）,明确和记录研究中的非处理因素,影响实验结果
6、的因素很多，包括：,研究对象方面：人口特征（年龄，性别等）；基线特征(病程、严重程度、治疗前指标),研究者方面：对象的选择和分配实施阶段：观察指标的测量方法研究对象：失访或不依从。,系统误差或偏倚,影响因素或非处理因素,实验研究设计原理,设计目的：消除或减少非处理因素作用，显示处理效应。试验组 T，对照组C，e=试验效应 试验结果 T（处理组）S1（非处理）e1+s1 C（对照组）S2（非处理）e2+s 2要求：理论上 S1=S2统计分析：处理效应：差值d=（e1+s1）-（e2+s2）,为得到恰当实验效应，对照设置要求:(1)专设；(2)同步或平行；(3)条件对等,实验研究应遵循原则对照、随
7、机、重复三原则,（一）设立对照组（control group）目的：抵消非处理因素作用，显示处理效应。处理因素效应的大小相对对照组而言。,对照的类型和目的,对照的类型正常对照模型对照剂量对照自身对照安慰剂对照 阳性（药物、方法）对照,比较的目的实验因素是否有效？实验因素是否优于阳性对照？或等效于阳性对照?,实验研究目的和注意问题,剂量探索实验：剂量的设置应包括 0、低、中、高剂量。说明指标随剂量变化。时间点探索实验：应包括基线（0点）和不同时间点。说明指标随时间的变化。干预因素实验：应同时设置阳性对照和正常对照，说明效应变化的程度。造模实验：自备的动物模型实验，应设置正常对照，说明模型是否成功
8、。,实验研究的对照设置（可设置多个对照）,例：40只动物随机分为4组（每组10只），其中3组建立为某疾病动物模型。各组给予的处理：正常对照（给予生理盐水）模型组（给予生理盐水）实验组（给予实验药物某剂量）阳性对照组（给予某阳性对照药）或实验组药物分低剂量、中剂量、高剂量进行剂量探讨。,对照组的问题,18只动物随机分3组，假手术组，模型组（某疾病），模型药物组。模型组和给药组分别在2小时和24小时测定血中ALT指标。结果如下：,如果做统计分析,组别 均数 假手术组（0h）28.67 模型组（2h）39.33 模型组（24h）126.0 给药组（2h）35.0 给药组（24h）68.0,组间可比吗
9、？缺少阳性对照。,补充基线后的结果,模型组,药物组,正常组,不同剂量辐射后第3d、40d大鼠体重情况,*p 0.05 vs 假照射组；*p 0.01 vs假照射组,这个设计有问题？设置对照组全面吗？统计分析应与那组比？,茵陈蒿汤对肝硬化大鼠模型肝功能的影响,（二）重复原则和样本含量估计,重复的意义：实验研究应有一定数量重复数。避免把个体结果认为普遍规律，同时估计实验误差。重复原则概念：在相同实验条件下，不同受试者独立接受某实验处理。不同受试者重复次数为样本含量。样本例数估计方法 1.经验估计（来自文献，前人经验，常规量）2.统计公式估计样本例数。,例：用种不同剂量毫米波辐射小鼠后，观察小鼠肝细
10、胞超微结构的变化，对同一小鼠的肝制成5张切片观察肝细胞超微结构。共观察了15只小鼠的75张切片。本研究的实验对象是哪个？本研究的总样本含量（重复数）是多少？比较种处理间的差异应在什么对象间比较？目前的样本含量是否能得到有差异？,统计检验与样本例数的关系,1.指标差值()=122.指标变异()大小3.t(检验水准=0.05)或假阳性率。4.样本例数（n）,统计检验（t）与有统计意义（p）的相关因素,公式法样本例数确定需要的参数估计,1.比较组差值（）实验组均数对照组均数 2.犯1型错误概率（检验水准=0.05）3.把握度（1）：为犯型错误的概率。4.研究指标变异（标准差）。信息：变异或差值信息来
11、自文献或预实验。,检验效能（power）,c,检验效能（power of test）,含义：如H1为真（两比较指标有差别），在给定的n和和条件下，统计检验能检验出两者有差别的概率。一般要求检验效能70样本含量估计含义：按事先规定犯两型错误概率的前提下，估计需要的最少例数。,两样本均数比较的例数估计公式,两样本均数比较的样本例数估计,例：一项关于降血压的临床试验随机分为新药组和常规药。如果新药比常规药平均降压高出0.8kpa可以考虑推广。据以往资料，个体降压的标准差为1.2kpa，如果检验水准0.05，检验效能为90，估计研究的样本例数为多少？解：本例=0.8，=1.2，=0.05，=0.1本研
12、究的检验假设：H0：新=常规 H1：新常规（单侧）,样本例数估计公式,正式研究每组样本例数至少为38例，共76例。一般再增加10-20例数。该n的含义：各组用38例时，统计检验在0.05检验水准，有90%的把握度查出两组的差别。,检验效能（power of test）估计,例：某医院用新药和常规药治疗婴幼儿贫血，20名贫血患儿随机分成两组，测得血红蛋白增加量如下，问两组疗效有无差别？新药组n=10 常规组n=10 经统计检验：问题：此结果是假阴性结果或是新药不比常规药更优？检验效能为多少？,SAS软件计算,Group 1 Mean=23.6 Group 2 Mean=20.9=2.7 Stan
13、dard Deviation=5 Alpha=0.05 2-Sided Test N 检验效能 检验效能 N t值10 0.208 0.700 44 2.1320 0.383 0.800 55 2.3930 0.538 0.900 74 2.7740 0.664,各组至少要44例时，有70%的把握检验出二者差别,关于样本例数的问题,目前医学期刊上发表的研究论文，绝大多数没有在试验前进行样本量估计。问题：如果两个指标确实有差别，样本例数少时，可能得到 P 0.05结果，得到假阴性的结果。尽管有的研究的p0.05（0.048）.重复实验结果有统计意义的可能性低。应报告检验效能(power)。,(三
14、)研究对象的随机化分组,随机化分组 受试对象以同等机会别分到实验或对照。目的：使对比组之间基线均衡可比,是减少选择对象偏倚的最佳方法。真正的随机化应符合下列原则:研究者和受试对象不能事先知道将分配到哪组,也不能推测下个对象将分配的组。,实验研究的随机化方法（应事先确定样本例数）,完全随机化分组（简单随机分组，对研究对象无限制）配对或区组随机化分组（事先确定配对或区组对象）,随机化分组方法：主要通过随机数来实现。,获得随机数的方法：1.随机数字表（统计教材后附表），适用小样本实验的分组。2.计算机的软件产生随机数，适合大样本分组。优点是方便和可重现。,1.完全随机化分组（简单随机化方法）,例：动
15、物20只分为4组，按体重（影响因素）编号编号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10随机数 41 82 98 99 23 77 42 60 22 91序号R 9 16 19 20 5 15 10 11 4 17编号 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20随机数 68 36 92 34 02 06 67 30 03 70序号R 13 8 18 7 1 3 12 6 2 14 将随机数排序（R），规定R为1-5为A组，6-10为B组，11-15为C组，6-0为组。,2.配对设计的随机分组方法(C:对照组,T:实验组),特点：在每个对子（区组）内简单随机化分组。随机方法同前。,
16、三、实验设计类型,选择合理实验设计类型,控制实验误差，达到高效、经济的优化目的。1.应根据实验因素的多少和目的，确定采用单因素或多因素实验设计方案。2.根据需控制的重要非实验因素或研究对象（动物或人），以及实施时的可操作性，选择实验设计类型。3.不同设计类型对应相应的统计分析方法,实验因素个数,单因素实验：指实验中研究对象被干预的因素只有一个，因素包括g（g2）个水平，目的：分析不同水平对实验结果是否有差别。多因素实验：指实验中研究对象被干预的因素不只一个，各因素的水平为2，可分析某因素不同水平的结果有无差别，分析多因素对实验结果有无交互作用。,例：研究一种降血脂新药的临床疗效,研究对象：高血
17、脂病人处理因素：降血脂药因素水平：服降血脂新药分为2.4g组，4.8g组，7.2g组，安慰剂组试验效应指标：低密度脂蛋白特点：每个研究对象只接受该处理的一个水平。,两因素实验,例：研究蛋白含量因素（A）和脂肪含量因素（B）缺乏时对大鼠营养状况的联合作用。因素（A）分为正常（a1）和缺乏（a2）组，因素（B）分为正常（b1）和缺乏（b2）组。16只大鼠随机分为4组，试验结果如下。4种处理组某营养指标结果 a1b1 a1b2 a2b1 a2b2 15 18 20 25 21 23 28 37 25 28 19 35 32 35 26 40,常用实验设计方法,单因素实验设计 使用 对象数 误差控制1
18、.完全随机分组设计 多 多 低2.随机配对或区组设计 较多 较少 优于上者3.拉丁方设计 少 少 优于上者4.交叉设计 少 较少 优于上者多因素实验设计 使用 对象数1.析因设计 较多 多 2.正交设计 较多 较少3.重复测量设计 多 较少 回答问题:两个及以上因素及交互作用,1.完全随机化分组设计（completely random design）,一组同质合格研究对象,随机化,实验组,对照组,完全随机化分组方法特点：设计简单，易于实施。比较组2，各组例数可等或不等。局限性：样本量少时易出现组间影响因素不均衡。,单因素实验设计,某药物对低密度脂蛋白测定结果（mmol/L）,对照组 2.4g组
19、 4.8g 组 7.2g 组 3.53 2.42 2.86 0.89 4.59 3.36 2.28 1.06 4.34 2.66 2.34 2.39.n 30 30 30 30 3.43 2.72 2.70 1.97 102.91 81.46 80.94 58.99 367.85 233.00 225.54 132.13,单因素完全随机化分组设计,2.配对或区组实验设计（异体配对组间比较）,将实验对象按一定条件配成对子或组成配伍组（block），配对或配伍因素为影响结果的非处理因素。在各对子组（或区组）内随机分配处理水平的设计。配对设计：处理水平=2区组设计：区组内对象数=处理水平数共有n个对
20、子或区组数,随机区组设计方案示意图,受试对象,按条件配对或配伍,区组1,区组2,区组3,区组n,2 1 3,随机化分组,3 2 1,1 2 3,2 1 3,区组内个对象数处理组数,不同饲料大鼠肝中维生素A含量,编号 正常饲料 缺乏维生素E 差值1.1.07 0.74 0.332 0.60 0.72-0.123 0.90 0.54 0.364 1.19 0.965 1.14 0.986 1.13 0.817 1.04 0.758 0.92 0.53均数 0.9988 0.7538 差值均=0.2450,配对差值t=4.208，SE=0.0582,两均数比较t=2.735，SE=0.0896,配对
21、设计,医学实验研究下列情况适合采用配对设计,同体配对设计：方法学比较、干预前后比较。异体配对设计：动物实验研究（试剂、动物模型贵、少）。优点：控制重要的影响因素，节约样本例数，统计检验效率高于完全随机分组。,配对设计例数估计,非配对设计例数估计,设计实例,题目：研究不同剂量的重组人肿瘤坏死因子对伤口愈合的比较研究因素：肿瘤坏死因子因素的水平：5个剂量（0，25，50，100，200）实验对象：家兔实验效应指标：伤口愈合张力强度采用完全随机分组或区组设计如何设计？,3.拉丁方设计（Latin-square design）,拉丁方是用拉丁字母排列安排为K K 方阵的实验设计。拉丁字母的个数代表某处
22、理因素的水平数。例：列 1 2 3 1 A B C 行 2 B C A 3 C A B,处理水平数=3,是随机区组设计的扩展，通过行和列两个方向的区组，控制两个已知影响实验结果变异的因素，缩小实验误差，能更好提高统计检验效率。节约样本例数。比较适合实验对象为动物和标本。,优点：,实验设计方法,行和列安排两个需控制的非处理因素。特点：处理的水平数=行数=列数，处理的每个水平在行或列中只出现一次。使用时：选择与处理因素水平数相等基本拉丁方表，可使用基本拉丁方或重新随机化分配处理。列 1 2 3 1 A B C 行 2 B C A 3 C A B,处理水平数=3的基本拉丁方表,研究不同剂量的重组人肿
23、瘤坏死因子对伤口愈合的比较,研究的主要影响“伤口愈合张力强度”的因素1.不同试验的对象（家兔）2.不同部位的伤口实验设计安排：取家兔5只，在每只5个不同部位做切口（每只家兔切口部位相同）。采用5 5的基本拉丁方表，分配处理的剂量。,5 5基本拉丁方排列表,行区组 伤口部位（列区组）家兔编号 1 2 3 4 5 1 A B C D E 2 B C D E A 3 C D E A B 4 D E A B C 5 E A B C D,处理因素水平：用A，B，E表示,例：家兔伤口用不同剂量的rh-TNF后的张力强度实验结果,伤口编号 家兔编号 1 2 3 4 5 小计 1 A9.83 B6.34 C7
24、.03 D4.40 E9.18 43.48 2 B3.75 C7.52 D7.64 E5.51 A7.60 36.95 3 C6.27 D8.34 E8.80 A9.91 B2.55 42.50 4 D5.54 E3.86 A5.55 B7.88 C5.94 39.18 5 E5.73 A3.22 B3.63 C7.12 D8.90 28.60列小计 38.46 38.18 39.81 39.27 36.65,拉丁方设计的方差分析,数据变异分解：处理因素（不同剂量+误差)总变异 行区组变异(家兔间+误差）列区组变异（不同部位+误差）误差变异（随机误差）,比较两种神经缝合方法（A）和在不同时间（
25、B）对神经损伤轴突通过率（y）的情况。缝合方法：外膜缝合（A1），束膜缝合（A2）缝合时间：1月（B1），2月（B2）研究对象:20只家兔特点：两因素同时施加研究对象 设计：析因设计,研究实例,多因素实验设计,是各因素和各水平的全面组合试验研究。多个因素同时施加于研究对象。用途：比较各处理组合的效果，筛选最佳测定值。分析因素之间是否有交互效应。当因素和水平多时，可采用正交设计。22析因设计组合的处理数 A因素 B因素 a1(低)a2(高)b1(低)a1b1 a2b1 b2(高)a1 b2 a2b2,4.析因设计（factorial design）,1）将 22析因设计组合成4个处理组2）采用完
26、全（简单）随机化分组或随机区组将实验对象分 配各处理水平组。3）每个处理组例数至少2例4）每组例数要相等统计分析方法：两因素的方差分析,22的析因设计方法和统计分析方法 标准的实验设计,例11-1：比较两种神经缝合方法（A）和时间（B）对神经损伤轴突通过率（y）的情况。缝合方法：外膜缝合（A1），束膜缝合（A2）缝合时间：1月（B1），2月（B2）研究对象:用20只家兔设计方法20只家兔采用完全随机分组方法分为4组，分别给予4种处理，试验结果见表11-1.,表11-1 家兔神经缝合后轴突通过率(%),外膜缝合(A1)束膜缝合(A2)1月 2月 1月 2月(a1b1)(a1b2)(a2b1)(a
27、2b2)合计 10 30 10 50 10 30 20 50 40 70 30 70 50 60 50 60 10 30 30 30 24 44 28 52 120 220 140 260 740 4400 11200 4800 14400 34800,表11-5 析因试验方差分析表,变异来源 SS df MS F P处理组间 2620 3 主效应 A（方法）180 1 180 0.6 0.05 B（时间）2420 1 2420 8.07 0.05误差 4800 16 300 总 7420 19,结论：不同时间对指标差别有统计意义,两药对产妇分娩镇痛时间比较，寻找最佳镇痛时间的剂量,结论：A药
28、不同剂量镇痛效果不同，B 药不同剂量镇痛效果不同，AB药有交互作用，A为5mg，B为 30ug时镇痛时间最长。,采用正交设计安排试验（略）,例：研究雌螺产卵的最优条件，并考虑AB一阶交互作用。雌螺产卵条件因素与水平 因素 水平1 水平2A 温度（）5 25B 含氧量（%）0.5 5.0C 含水量（%）10 30D PH值 6.0 8.0全面组合实验有8个组合,6.重复测量数据的设计,研究目的：比较不同处理因素随时间因素变化的研究设计。设计模式：时间（t）A组 0 2 4 6（周）N对象 Baseline 随机 B组 0 2 4 6（周）,两组在相同时间点测定某指标值,重复测量设计,定义:测量同
29、一对象在不同时间点（t3）的观察值,称为重复测量设计.可设计多因素的重复测量资料。设计回答问题:1.不同处理是否随时间变化对研究指标有不同?2.考察研究指标随着时间变化趋势。3.两组研究指标变化趋势是否一致。,两因素重复测量数据设计和特点,设计：1.处理因素：N个研究对象完全随机方法分为G组(G 2组)，给予不同处理。2.时间因素：同时测量观察对象在规定时间点（相同时间点）的指标（计量数据）。3.要求观察对象在各时间点的测量值不能有缺失值。数据的特点：各时间点变量值非独立。,例：比较二种药物在不同时间患者血浆浓度,统计方法:重复测量资料的方差分析,二种药物在不同时间患者血浆浓度,实验设计实例一
30、,研究不同负荷(A)和不同供氧装置(B)同时使用时对呼吸的阻力，A因素为在自行车静坐、250和600kg/min体力负荷，供氧装置为YX1和 YX3。如有12名受试者，每人只能接受一种实验干预，应采用什么设计？如每人可在一段时间重复接受所有实验的干预，可采用什么设计？,实验设计的实例二,题目：调节“脑中血海”法联合骨髓间充质干细胞移植对缺血脑组织血管再生的影响实验分组按照处理因素分为手术组和假手术组，其中手术组包括模型组、移植组、脑脉一号组与联合治疗组（移植组+脑脉一号），每个手术组根据时间点不同，又分为3d、7d、14d组。每组每个时间点8只动物，共96只，假手术组8只。观察指标：大鼠神经功
31、能评分,不同处理组在不同时间的大鼠神经功能评分,时间点比较组 3d 7d 14d假手术组 8（动物数）模型组 8 8 8移植组 8 8 8脑脉一号组 8 8 8移植组+脑脉号 8 8 8,这是重复测量设计吗？有几个实验因素？设计完整吗？,实验设计小结,每个对象接受某处理的一个水平，考虑单因素设计，如完全随机分组、配对、随机区组、拉丁方设计。多个因素同时作用研究对象，考虑析因设计（完全随机或随机区组分组）或正交设计。探索性的研究（实验条件筛选）最好采用多因素实验设计。,小 结：实验设计目的是控制试验误差，得到处理真实的实验效应,1）加强研究对象的同质性(如年龄,病情等)，和有一定数量的样本例数。2）均衡和缩小组间非处理因素的误差 方法:选择控制实验误差高的设计 选择适当的对照组做比较3)采用随机化分组、平行对照、盲法测量、增加组间条件的均衡。,方法：,本次课程结束 谢谢大家,
