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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上海第二军医大学卫生统计学教研室孟孟 虹虹本次课程内容重点l一、实验研究的对照问题l二、样本例数及把握度power）l三、常用实验设计方案的选择医学研究l疾病的病因学、危险因素研究l药物疗效或治疗方法比较研究l疾病的现况、疾病的预后研究l诊断方法试验研究l应采用什么设计和如何设计？应如何控制研究误差和偏倚？l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实验）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
2、料的叙述性报告回想回答研究的问题，采用哪个设计？实例l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讨，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。l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。l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experimentalstudy）特点：研究者能主动对研究对象1进行随机分组2施加某种干预处置要素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：了解干预处置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，只是客观记录某因素存
4、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）l分专业设计和统计设计两部分。l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。l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。l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(Experimentalstudy)l实验研究设计的主要任务l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。l明确实验研究的三要素：l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实验因素是研究者需阐明因
5、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202530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的因素很多，包括：研究对象方面：人口特征年龄研究对象方面
6、：人口特征年龄，性别等）；基线特征，性别等）；基线特征( (病程、严重程度、治疗前指标病程、严重程度、治疗前指标) )研究者方面：对象的选择和分配研究者方面：对象的选择和分配实施阶段：观察指标的测量方法实施阶段：观察指标的测量方法研究对象：失访或不依从。研究对象：失访或不依从。系统误差或偏倚影响因素影响因素或非处理或非处理因素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+s1C对照组S2非处理）e2+s2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
7、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实验研究应遵循原则对照、随机、重复三原则对照、随机、重复三原则（一设立对照组（一设立对照组controlgroupcontrolgroup）目的：目的： 抵消非处理因素作用，显示处抵消非处理因素作用，显示处理效应。理效应。 处理因素效应的大小相对对处理因素效应的大小相对对照组而言。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l剂量探索实验：剂量的设置应包括0、低、中、高剂量。说
8、明指标随剂量变化。l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。l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。l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。实验研究的对照设置可设置多个对照）l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。l各组给予的处理：l正常对照给予生理盐水）l模型组给予生理盐水）l实验组给予实验药物某剂量）l阳性对照组（给予某阳性对照药）l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l l1818只动物随机分只动物随机分3 3组，假手术组，模型组某疾组，假手术组，模型组
9、某疾病），模型药物组。模型组和给药组分别在病），模型药物组。模型组和给药组分别在2 2小小时和时和2424小时测定血中小时测定血中ALTALT指标。结果如下：指标。结果如下：假手术组假手术组模型组模型组模型组模型组给药组给药组给药组给药组 2h 2h 24h 24h2h2h 24h 24h数据数据1 1数据数据1 1数据数据2 2数据数据2 2数据数据3 3数据数据3 3均数均数28.67 28.67 39.3339.3312612635.535.56868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
10、组24h） 68.0 组间可比吗？缺少阳性对照。组间可比吗？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 组别组别体重体重(g)(g)用药用药3d3d用药用药40d40d模型组模型组281.76281.769.10*9.10*361.78361.7823.61*23.61*低剂量组低剂量组283.19283.1910.75*10.75*360.44360.4415.73*15.73*中剂量组中剂量组279.46279.4611.60*11.60*365.83365.8322.11*22.11*高剂量组高剂量组288.79288.798.58*8.58
11、*375.79375.7918.5518.55假照射组假照射组302.86302.869.819.81385.19385.1917.5817.58* p 0.05 vs 假照射组；* p 0.05结果，得到假阴性的结果。u尽管有的研究的p0.050.048）.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)研究对象的随机化分组l随机化分组l受试对象以同等机会别分到实验或对照。l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。l真正的随机化应符合下列原则:l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
12、样本例数）l完全随机化分组简单随机分组，对研究对象无限制）l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：动物20只分为4组，按体重影响因素编号编号12345678910随机数41829899237742602291序号R91619205151011417编号11121314151617181920随机数68369234020667300370序号R13818713126214将随机数排
13、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)雌雌 鼠（按体重配对）鼠（按体重配对）配对对子配对对子1 12 23 34 45 56 67 78 89 91010随机数随机数38386868909034349 950504848888896969595随机数排序随机数排序1 12 22 21 11 12 21 12 22 21 1组别组别C CT TT TC CC CT TC CT TT TC C特点：在每个对子区组内简单随机化分组。随机方法同前。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
14、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l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gg2个水平，目的：分析不同水平对实验结果是否有差别。l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l研究对象：高血脂病人l处理因素：降血脂药l因素水平：服降血脂新药分为2.4g组，l4.8
15、g组，7.2g组，安慰剂组l试验效应指标：低密度脂蛋白l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。要素A分为正常a1和缺乏a2组，要素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a1b1a1b2a2b1a2b215182025212328372528193532352640常用实验设计方法单因素实验设计运用对象数误差控制1.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运用对象数1.析因设计
16、较多多2.正交设计较多较少3.重复测量设计多较少回答下列问题:两个及以上因素及交互作用1.完全随机化分组设计（completelyrandomdesign）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 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
17、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）l l 将实验对象按一定条件配成对子或组将实验对象按一定条件配成对子或组成配伍组成配伍组blockblock），配对或配伍因），配对或配伍因素为影响结果的非处理因素。在各对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子组或区组内随机分配处理水平的设计。的设计。l l配对设计：处理水平配对设计：处理水平=2=2l l区组设计：区组内对象数区组设计：区组内对象数= =处理水平数处理水平数l l共有共有n
18、 n个对子或区组数个对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n213随机化分组321123213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1.1.070.740.332 0.600.72-0.123 0.900.540.364 1.190.965 1.140.986 1.130.817 1.040.758 0.920.53均数0.99880.7538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配对配对设计设计医学实验研究下列情况适合采用配对设计l l同体配对
19、设计：方法学比较、干预前后比较。同体配对设计：方法学比较、干预前后比较。l l异体配对设计：动物实验研究试剂、动物模异体配对设计：动物实验研究试剂、动物模型贵、少）。型贵、少）。l l优点：控制重要的影响因素，节约样本例数，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。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标题：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
20、-squaredesign）拉丁方是用拉丁字母排列安排为KK方阵的实验设计。拉丁字母的个数代表某处理因素的水平数。例：列1231ABC行2BCA3CAB处理水平数=3l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。l节约样本例数。l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1231ABC行2BCA3CAB处理水平数=3的基本拉丁
21、方表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
22、B6.34 C7.03 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B对
23、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)a1b1a2b1b2(高)a1b2a2b2 4. 4.析因设计析因设计factorial factorial designdesign）1将22析因设计组合成4个处理组2采用完全简
24、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2222的析因设计方法和统计分析方法的析因设计方法和统计分析方法标准的实验设计标准的实验设计 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)(a2
25、b2)合计10301050103020504070307050605060103030302444285212022014026074044001120048001440034800表11-5 析因试验方差分析表变异来源变异来源SSdfMSFPSSdfMSFP处理组间处理组间2620326203主效应主效应AA方法方法18011800.60.0518011800.60.05BB时间时间2420124208.070.052420124208.070.05AB201200.070.05误差误差480016300480016300总总742019742019结论：不同时间对指标差别有统计意义两药对产
26、妇分娩镇痛时间比较，寻找最佳镇痛时间的剂量A A药物剂量药物剂量B B药物剂量（药物剂量（ugug）10510511511575751.0 mg1.0 mg8080105105959565658080858575751251251351352.5 mg2.5 mg115115130130120120808090901501505.0mg5.0mg858512012065651201201801801901901251251001001601605 515153030结论：A药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
27、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要素水平1水平2A温度（）525B含氧量（%）0.55.0C含水量（%）1030DPH值6.08.0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0246（周）N对象Baseline随机B组0246（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
28、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(G2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对象编对象编号号药物药物T0T0T1T1T2T2T3T3T4T41 11 150507575120120606030302 21 140408080135135707040403 31 155557575125125858550504 41 17070858514014090904
29、0405 51 160609090150150959550506 62 230305555808013013065657 72 225255050757512512560608 82 235356565858514014085859 92 2454570709090145145808010102 25050757595951601609090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二种药物在不同时间患者血浆浓度实验设计实例一l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。l
30、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？l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l标题：调理“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l实验分组l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。l观察指标：大鼠神经功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
31、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l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。l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。l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：方法： 本次课程结束 谢谢大家