机能学实验设计与数据分析医学.ppt

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1、机能学实验设计与数据分析,医学基础实验教学中心 金春华,第一节 实验设计的基本程序,概念-实验设计是通过学生自行设计实验，了解机能实验学研究的基本过程，使学生具有一定的实验研究能力。( 培养创新、开拓型人才),实验设计的意义,严谨：控制影响因素和确保实验严谨可信； 经济：能用比较经济的人力、物力和时间，得到较为可靠的结果； 误差：准确地控制误差和估计误差的大小； 效率：使多种实验因素包括在很少的实验之中，达到高效的目的。 良好的设计是顺利进行实验和处理结果的先决条件，也是使实验研究获得预期结果的重要保证。,研究(设计)的类型,医学研究按照有无人为施加的干预 ,又分为实验性研究和观察性研究两大类

2、型。 观察性研究是以客观、真实的观察为依据 ,对观察结果进行描述和对比分析 ; 实验性研究是在排除其他因素影响的条件下 ,推论干预措施的因果效应。 这两类研究在研究设计和统计结果的解释上有很大不同 ,一定要认真区别,实验研究的基本程序,立题(选题)-文献检索+实践经验:难! 设计-实验方法和步骤，三要素三原则 预实 验-苗头趋势，可行性，假说修正 正式实验-重复与深入 实验资料的收集与分析 论文撰写,第二节 实验设计三要素,实验对象-人或动物。注意动物的人代表性、经济性、品系及个体齐同性(年龄、体重、性别) 处理因素-对实验对象施加某种外部干预：复制疾病模型(探讨机理)与实验治疗(观察药效)。

3、处理因素标准化，注意非处理因素 观察指标（实验效应）-特异性(本质)，客观性(可检测)，灵敏性(假阴性少)，重现性(误差大小)，精确性。体现实验的先进性和创新性的重要环节。,高血压病人 降压药 血压,第三节 实验设计三原则,对照原则（有可比性）- 使非处理因素尽量相同，通过对比发现特异变化：空白对照、实验对照、标准对照、自身对照、相互对照等。 重复原则（保证实验再现性，估计误差，保证结果可靠。计量资料每组样本数不少于5例，以10-20例为好，计数资料每组样本数不少于30例。） 随机化原则（实验顺序和分组机会均等，保证非处理因素均衡一致）抽签法，随机数字表，随机排列表,对照的原则,对照的意义在于

4、它可以使处理因素(治疗因素)和非处理因素(气候、营养、休息、精神状态等)的差异有一个科学的对比。 对照组除缺少一个处理因素外，其他条件应当与实验组完全一致或基本一致。 （1）空白对照-对照组不施加任何处理因素。例如，观察某种疫苗预防某种传染病的效果，实验组的一批儿童接种该疫苗，对照组的一批儿童不接种该疫苗，也不接种任何其他制剂，处理因素完全空白。这种对照只有在处理因素很强，非处理因素很弱的情况下才可使用。 （2）实验对照-对照组不施加处理因素，但施加某种实验因素。如观察赖氨酸对儿童发育的影响，实验组儿童的间食加赖氨酸的面包，对照组的间食为不加赖氨酸的面包。处理因素是赖氨酸，非处理因素的面包量两

5、组是相同的。 （3）标准对照-不设立专门的对照组，而是用现有标准值或正常值做对照。实验研究一般不用标准对照，因为实验条件不一致，常常影响对比效果。在临床研究中常以某疗法为标准对照组，这种对照应注意标准组必须是代表当时水平的疗法，切不可用降低标准组的办法使实验效应提高。 （4）自身对照-对照与实验在同一受试者身上进行，如以用药前后作对比。 （5）相互对照-各实验组间互为对照，如比较新药与旧药的疗效。,观察性研究要在主要的影响因素均衡可比的前提下选择对照组,1995年 5月 1日 1 996年 6月 3 0日 ,将 54例在我院就诊住院分娩的有不良妊娠史妇女作为试验组 ,同期随机选取 54例无不良

6、妊娠史正常孕妇作为对照组。两组风疹病毒阳性率分别为46.29%和 1.85%, 0.001。 以上研究中 ,试验组和对照组显然不能分组。由于同期到该院门诊、住院及进行孕期检查的正常孕妇事先不确定 ,没有现成的抽样框架 , 怎样“同期随机选取对照”不得而知。两组风疹病毒阳性率如此大的差别 ,有无可能归因于两组孕妇年龄、分娩次数乃至社会经济水平不均衡性。,选择 1998年 10月 1999年 2月在华西医科大学附属第二医院产科住院的 30例妊娠肝内胆汁淤积症()患者 , 30例正常妊娠妇女作为对照组 ,比较两组血硒的差别。两组妇女均在成都居住 ,年龄、孕周和分娩次数差异无显著性 ( 0.05)。研

7、究结果 :组血硒水平低于对照组 ( 0.002 )。,重复（replication）的原则,重复是消除非处理因素影响的又一重要手段。 重复程度表现为样本含量的大小和重复次数的多少。 样本含量越大或重复次数越多，则越能反映机遇变异的客观真实情况。但是，样本含量大大或实验次数太多，不仅会增加严格控制实验条件的困难，也会造成不必要的浪费。 在实验设计中，要对样本的大小作出科学估计，以满足数据处理的要求。估计样本含量可以通过公式计算，也可通过查表,Sprague Dawley种刚断奶大鼠 60只 ,体重46.50 4.3,雌雄各半 ,随机分为对照组 (饮用无离子水)、低剂量组 (饮用含醋酸铅18/无离

8、子水)、高剂量组 (饮用含醋酸铅 54/无离子水), 3个月后 ,对各组分别取 6只大鼠测脑铅和血铅浓度 (试验 ) , 8只作电镜钙细胞化学(试验 ) ,另 6只断头处死做电镜硝酸镧示踪和Golgi染色(试验 )。,上述实例实际上是 , ,三个试验。随机分组的方式可以有好几种。其中比较直接的方式 ,是雌雄分2组 ,每组30只。 30只雄鼠随机等分为对照、低剂量染毒和高剂量染毒 3个处理组 ,每组 10只。每个处理组再随机分 , ,实验组 ,例数分别为 3 , 3 , 4。雌性鼠也用同样方式分组, 结果60只大鼠 ,从总量上看似乎不少 ,但实际上最后要分 9组 ,每组仅 6 8只。 小样本试验

9、的危害是不能灵敏地发现处理间存在的差别。所以当总的试验例数有限时 ,要明确主要研究目的 ,不能追求试验的规模。最好是在试验前 ,对所需的样本数作出正确估算 ,以免因“无统计学意义”埋没了原本存在的组间差别。,随机化（randomization）原则,在实验研究中，受试对象的分组及施于受试对象的实验顺序等都应随机化，这是保证实验中非处理因素均衡一致的又一重要手段。同时也是资料处理时，进行统计推断的前提。 随机数字表，常用于抽样研究及对患者、标本、实验动物等的分组随机化。表内数字互相独立，无论从横行、纵列或斜向等各种顺序均呈随机状态。使用时可从任何一个数字开始，接任何一个顺序录用。,某煤矿矿工中有

10、180名早期矽肺及10名晚期矽肺病人。为比较这两组对象的血清铜蓝蛋白含量，试从早期矽肺者中随机抽10例与晚期矽肺病人作比较。 病例号分段 118 19一36 3754 163-180 查随机数字 76 71 61 57 以18除后余数 4 17 7 13 抽取病例号 4 35 43 175,第四节 实验设计大纲,题目 实验动物选择与分组 动物处理：麻醉固定、给药时间、剂量、途径等 观察指标：样本采集量、时间、仪器 实验方法与路线 数据收集与分析 论文撰写(可行性分析),第二部分：实验数据收集与分析,数据收集的意义,实验研究中，主要研究结论大多以实验数据的分析结果作为重要、而且是必要的论据。 恰

11、当、充分可靠的数据分析则是建立在完整的、准确的实验数据基础之上的。只有高质量的数据，才谈得上高质量的实验研究。 保证实验数据的完整性和准确性是对实验研究的最根本要求也是研究人员应该遵循的一个基本原则。,实验数据的完整性和准确性,数据的完整性-系指按照设计要求收集所有的实验数据。实验数据的缺失，应尽可能地补充; 对于不可补救的实验（或因实验材料短缺，或因资金不足等），应科学地处理缺失数据。 数据完整性的另一方面系指应将所有实验数据用于分析过程，不能因某些数据与研究者预期的结果有较大差距而随意剔除，或不引入分析过程。 数据的准确性-系指实验数据的记录应准确无误。一方面，应避免数据收集过程中出现任何

12、过失误差，如点错小数点，抄错数字弄错度量衡单位，换算错误等。另一方面，应杜绝研究者根据个人意愿对数据做任何篡改或杜撰。,实验数据的度量,实验数据的度量方式因度量精度不同而异。 数据的度量精度分为4 个等级，按由低到高顺序依次为定性度量 （nominal scale）、等级度量 （ordinal scale）、等差区间度量 （interval scale）等比例度量 （ratio scale）。,一、定性度量,定性度量-最低级形式，系指将研究对象按某种属件进行归类记录。 例如：细菌培养结果：阳性和阴性， 人类的4种血型：A、B、AB、O型 计数资料-定性度量所获得的数据资料经整理后称为（将观察单

13、位按某种属性或类别分组，所得各组的观察单位数）。 例如将295名急、慢性白血病患者的血型记录归类整理成表4-1的计数资料形式。,表41 295名白血病患者的血型分布,分 组 血 型 合 计 O A B AB 急性组 59584918184 慢性组 3343278111 合 计 921017626295,定性度量有如下特点：,（1）数据分类相互排斥 即每一测试对象只可能属于某一个类别，如一个人只可能为4种血型中的某一种血型。 （2）数据分类无逻辑顺序。 如4种血型并不存在任何优先顺序。,二、等级度量,等级度量-系指将研究对象按某种属性的等级进行归类记录。 例如，检查肝功能的麝香草酚浊度实验将结果

14、划分为-、+、+、+等不同等级；出院病人的转归划分为治愈、好转、无效、死亡等不同等级等。 等级资料-等级度量所获得的数据资料经整理后称为（将观察单位按某种属性的不同程度分组，所得各组的观察单位数） 。 例如，临床上两种疗法治疗肺部恶性肿瘤的疗效记录整理成表4-2的等级资料形式。,表42 两种疗法治疗肺部恶性肿瘤的近期疗效,疗 效 疗 法 合 计 热放化组 热放组 显 效4 913 有 效1 7 8 无 效0 11 合 计5 1722,等级度量有以下特点：,（1）数据分类相互排斥。 （2）数据分类有一定的逻辑顺序。 （3）数据的分类等级具有定量含义。 如麝香草酚浊度实验记录结果“+”比“+”意味

15、着肝功能的损害程度更严重。,三、等差区间度量,度量的第三个水平是等差区间度量，它除了具有等级度量的全部特点外，还具有等标度差等量的特性。 例如在温度测量方面，39与38之差和37与36之差是相同的，均为 1。 对于该度量形式，0只是标尺上的一个点而已，并不具有起始的含义或其他特殊含义。,四、等比例度量,等比例度量-度量的最高级形式，它除了具有等级度量的全部特点及等标度差等量的特性外，还有等标度比等量的特性。 例如，体重100kg与50 kg之差和75 kg与25kg之差是相同的，均为50kg。与此同时，我们还可以说100kg比50kg重1倍。但如果说等差区间度量中20比10热1倍就不合适。 该

16、度量形式的另一个特性是，0为一个特殊的数值，意味着无，意味着起始点（如0kg）。相对而言，等差区间度量中0则无此特性。,实验数据的记录,为保证获取高质量的数据，有必要规范实验数据的记录方法。 一则可以保持记录数据的整洁和有序，便于日后的数据分析与整理存档； 二则有利于数据的核查与监察，保证数据的真实性。,实验数据的记录应包括：,（1）实验对象编号： （2）实验分组：随机化处理 （3）观察指标：描述观察对象的一些基本特征，如性别、年龄、体重等，以及表达实验的效应。 （4）记录时间：一则反映实验的全过程；再则可为分 析某些可疑的实验结果提供参考线索。原则上，每个实 验数据都应有相应的时间记录。 （

17、5）记录人和审核人：每页应有记录人和审核人的签名，对所记录实验数据的真实性和完整性负责。,实验数据质量的评价,实验数据的质量直接影响到研究结果的科学性和可靠性。 数据质量有两方面含义：数据准确性-效度（validity）数据可靠性-信度（reliability）,一、效 度,效度是指测量值与真值的接近程度，故又称为准确度（accuracy）， 用以度量测量数据系统误差（systematic error）的大小。,二、信 度,信度是指同一观察对象多次重复测量结果之间的吻合程度，故又称之为精确度。用于度量随机误差的大小。 常用标准差、变异系数或组内相关系数、k系数等指标度量。 前两者愈小，或后两者

18、愈大，表示随机误差愈小；或吻合程度愈高，亦说明测量数据的重现性愈好，数据的可靠程度愈高。,表45 2位病理专家对40份尸检标本的阅片结果 （ K=0.21, 两者吻合程度低，信度低，随机误差大）,专家甲 专家乙 十 一 合计 十 24（a） 8（b）32（a + b） 一 4（C） 4（d） 8（c + d） 合 计 28（a+c） 12（b+d） 40（n）,分类资料的信度,2计量资料的信度,计量资料的信度一般用组内相关系数表示。 可参考统计学的有关知识。 计量资料-对每个观察单位用定量方法测定某项指标量的大小，所得的资料成为，一般有度量衡单位。,一、实验数据的逻辑分析,数据首先要进行逻辑检

19、查，以保证数据至少不会出现大的偏差。 这些偏差可能来自原始数据，可能来自数据录入过程，也可能来自数据转换过程。 逻辑检查最简单的方法是根据最大值和最小值判断。 例如，当某资料身高变量的最大值显示为 17.8 m时，很可能原始数据为 1.78 m，在记录或录入过程中点错了小数点而导致出错。 还可进行数据趋势分析,二、偏离数据的判断和处理,个体数据偏离其所属群体数据较大，且经证实确为实验所得时，被称为偏离数据。 实验中有时会出现一个或几个数值特别大或特别小的偏离数据，对这种异常数据除根据专业知识寻找原因决定取舍外，还应进行统计分析，切不可随意丢弃。 对偏离数据Xi的判断常用两种方法：极差R估算法T

20、i=(Xi Mean)/R和标准差估算法Ti=(Xi Mean)/SD, 计算出的Ti值若大于表中的Ti值，则可舍弃该异常值。,8名健康人脉搏(次/分)分别为 58，70，72，72，74，75，76，78。其中58过小，是否要舍弃？,计算得： 均 数 M = 71.875 标准差SD = 6.151 极 差 R = 20 极差R估算法 Ti = (Xi Mean)/R 0.69 查表Ti(n=8) 0.64 0.69 结论：可舍弃 标准差估算法Ti = (Xi Mean)/SD 2.256 查表Ti(0.05，n=8) 2.172(Smirnov) 2.256 or 2.03 (Grubbs

21、) 2.256 结论：可舍弃,三、缺失数据的处理,处理缺失数据的最简单方法是剔除缺失数据所属的观察单位，但该方法浪费信息严重，特别是在变量较多的情况下。为避免浪费信息，采用的方法是仅剔除分析过程所涉及的缺失数据。 处理缺失数据的最复杂方法是估计缺失数据，该方法的优点是充分利用了信息，但操作难度较大。,数据分析中统计方法的正确选择,首先正确地识别资料类型类型：单变量资料和多变量资料；单变量资料：计量资料、计数资料和等级资料3类。 确定分析的目的 选择恰当的统计方法-注意统计方法的适用条件,计量资料-若原始数据满足正态性分布和方差齐性要求，可用参数方法；若不满足正态性分布和方差齐性要求，可选择非参

22、数方法。 等级资料-建议使用秩和检验方法，虽然也有文献介绍用X2检验处理，但X2检验只能说明两组或多组之间的分布有无差异，而不能说明两组或多组之间量方面的差异。 计数资料-比较多个样本率或构成比有显著性差异时，两两间的比较用描述方法即可。,谢谢！,部分同学设计的探索性实验题目,家兔外周血管动-静脉瘘性心衰及其救治 严寒刺激对家兔循环功能的影响 急性气道狭窄对呼吸循环功能的影响 胸部开放伤海水浸泡致急性肺损伤的实验研究 急性肾缺血再灌注对磺胺药代动力学的影响 甘露醇对家兔肾缺血再灌注损伤的保护作用 急性脾破裂性失血性休克的救治 药物对家兔肠系膜夹闭型休克的作用 内毒素致家兔多器官功能不全的研究

23、严重脱水及其救治,选题五原则,创新性原则 - 有所发明，有所发现，有所创造(先进性) 有所前进。勿低水平重复。 科学性原则 - 有充分科学依据，反映客观规律 需要性原则 - 明确研究目的，临床需求。（实用性） 可行性原则 - 主、客观条件。 合理性原则 - 要有实际效益。,BACK,可行性,主观条件 本人过去的工作基础、学术水平、技术能力； 客观条件 经费、设备、资料、动物、试剂、病例、后勤保障、时间性。,BACK,补充概念,参数-用于描述总体特征的指标。 过失误差-如记录误差、计算误差等，这类误差是不允许的。 系统误差-由于受试对象、研究者、仪器设备、研究方法、非实验因素影响等原因造成的，有一定倾向性或规律性的误差，如抽样不匀、仪器未校正、操作技术不当、计算方法不当等。这类错误应通过严格的设计、严密的技术措施尽力消除。 随机误差-排除上述误差后，由于众多无法控制的因素引起的、大小方向不一的随机变化。例如，重复测量一个人的血压，在操作正确、仪器可靠的情况下，多次测量的结果常常会不同。随机误差是不可避免的，有一定的分布规律，可用统计方法处理。,