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1、卫生统计学 第五版 卫生统计学与数学学教研室 1 第三节常用的实验设计方案 实验设计 一 完全随机设计 二 配对设计 六 小结 三 交叉设计 四 随机区组设计 五 析因设计 2 一 完全随机设计 二 配对设计 四 随机区组设计 三 交叉设计 五 析因设计 第三节常用的实验设计方案 3 一 完全随机设计 完全随机设计也称为单因素设计 该设计只能分析一个处理因素的作用 处理因素可有2个或2个以上水平 每个水平代表一个分组 特点 只涉及一个因素 变量 将受试对象按随机化的方法分配到各个处理组中 观察实验效应 例数相等时 效率较高 优点 简单易行 应用广泛 容易进行统计分析 缺点 只能分析一个因素 效
2、率不太高 分析方法 两样本t检验 秩和检验 单因素方差分析 4 预选对象 受试对象 对照组 纳入标准 实验组 随机化 完全随机设计方案示意图 5 二 配对设计 配对设计是将受试对象按一定条件配成对子 分别给予每对中的两个受试对象以不同的处理 配对的条件是影响实验效应的主要非处理因素 非处理因素 动物主要有 种属 性别 年龄 体重 窝别等因素 人群主要有 种族 性别 年龄 体重 文化教育背景 生活背景 居住条件 劳动条件等因素 其中病人还应考虑疾病类型 病情严重程度 诊断标准等方面 配对设计的目的是降低 减弱或消除两个比较组的非处理因素的作用 6 1 配对设计将两个条件相近的受试对象按1 1配成
3、对子 然后对每对中的个体随机分组 再施加处理因素观察效应 医学科研中常见的配对设计有下列几种类型 2 自身对照设计临床上常见情况是 把病人治疗前与治疗后的检测指标值作为一对数据 若干个病人的检测值作为若干对数据 这种设计为配对设计中的一种 3 同一标本用两种方法检测采集的同一份标本或样品如果用两种方法进行检测 则得到一对数据 检测一批样品则得到若干对数据 此种设计也属于配对设计 7 8 三 交叉设计 在自身配对设计基础上发展的双因素设计 两个阶段 两种处理 它可在同一病人身上观察两种或多种处理的效应 配对分两组 交叉设计的基本模式见图 交叉设计是一种特殊的自身对照设计 它克服了由于施加于受试对
4、象的处理因素在时间上的不同而导致的试验效应的偏差 9 一 交叉设计的特点 由于处理 和 处于先后两个实验阶段的机会相等 因此 平衡了实验顺序的影响 而且能把不同处理之间的差别与时间先后顺序之间的差别 还有受试者个体间差别分开分析 因此 该设计的实验效率较高 交叉设计的一个限制条件是 当处理停止时应该没有残留效应 即当处理 或 停止使用时 其效力不能持续到下一个时间阶段 否则 处理 或 的效果就无法判定 10 1 先将条件相近的受试对象按1 1配成若干对子 2 用随机方法将每对中的两个个体分为两组 3 决定两个组中的哪个组的受试对象先用A处理因素 后用B处理因素 另一组的受试对象则与此相反 4
5、在试验的不同时期即前后两个阶段 A与B两种处理因素既同时使用又交叉使用 两组中A结果与B结果之差即为试验效应 二 设计方法 11 12 13 随机区组设计也称为配伍组设计或双因素设计 它是1 1配对设计的扩展扩大 该设计是将受试对象按一定条件先划分成若干个区组或配伍组 再将每一区组中的各受试对象随机分配到各个处理组中去 四 随机区组设计 A接受甲处理实验对象 配成区组 随机分配区组中B接受乙处理C接受丙处理D接受丁处理 统计分析方法 方差分析 秩和检验 14 例研究人员在进行科研时 要观察2个因素的作用 欲用20只动物分为五个区组和四个处理组 试进行设计及分组 设计及分组方法和步骤如下 1 该
6、设计可采用随机区组设计方案 分析的两个因素的作用可分别列为区组因素和处理组因素 两因素服从正态分布 方差齐性且相互独立 2 取同一品系的动物20只 其中每一区组取同一窝出生的动物4只 五个区组即为五个不同窝别的动物 3 将每一区组的4只动物分别顺序编号为1 4号 5 8号 9 12号 13 16号 17 20号 接受A B C D四种处理方式 4 查附表15随机排列表 任意指定5行 如第9至第13行 每行只随机取数1 4 其余数舍去 依次将随机数字记录于各配伍组的编号下 其随机数字即为该动物应分入的处理组 见下表 15 按随机区组设计要求对20只动物进行分组 20只动物的分组结果 16 析因设
7、计是一种多因素的交叉分组设计 是指两个或多个因素的各水平进行组合 它不仅可检验每个因素各水平间的差异 而且可检验各因素间的交互作用 交互作用是指两个或多个因素的作用相互影响 各因素间互不独立 一个因素的水平有改变时 另一个或几个因素的效应也相应有所改变 交互作用的结果是使总的试验效应增强或降低 五 析因设计 一 概念及特点 17 最简单的析因设计为2 2 或22 析因设计 其意义为 试验中共有2个因素 每个因素各有两个水平 再如 2 2 2 或23 析因设计 表示试验中有三个因素 每个因素各有两个水平 数字表达式中的指数表示因素个数 底数表示每个因素的水平数 析因设计的特点是 可分析多个因素多
8、个水平的试验效应 可以分析各因素的独立作用及其各级交互作用 节省样本含量 试验效率高 设计时较为复杂 计算较为繁琐 可用析因设计的方差分析处理数据 当因素个数较多时 计算量大 计算工作相当繁琐 对计算结果的解释也会变得十分错综复杂 18 二 2 2析因实验作用模式 2 2析因设计作用模式 19 三 交互作用的类型 设实验研究中有A B C D四种因素 其交互作用的类型如下 1 独立作用 A B C D 是四个因素各自的单独作用 2 一级交互作用 A B A C A D B C B D C D 是任意两个因素的共同作用 3 二级交互作用 A B C A B D A C D B C D 是任意三个
9、因素的共同作用 4 三级交互作用 A B C D 是四个因素的共同作用 上述独立作用与交互作用总共需进行15次试验 目的在于得出各因素的最佳水平及其组合 随着试验因素的增加 交互作用及试验次数会急剧增加 当试验次数很多时 则宜采用正交试验设计 20 完全随机设计2 2析因试验 表5 家兔神经缝合后的轴突通过率 A 缝合方法 外膜缝合 A1 束膜缝合 A2 B 缝合后时间 1月 B1 2月 B2 1月 B1 2月 B2 1030105010302050407030705060506010303030研究目的 观察两种神经缝合方法 缝合后两个时间点神经轴突通过率 21 3 3析因试验举例 考察不同
10、剂量考的松和党参对ATP酶活力的作用 A因素 考的松 不用低剂量高剂量不用OA1A2B因素低剂量B1A1B1A2B1高剂量B2A1B2A2B2 22 2 2 3 2析因设计 在培养钩端螺旋体时 除已固定因素外 拟研究以下4个因素不同水平的效应 求最佳组合 A血清种类 2水平 兔血清 胎盘血清B浓度 2水平 5 8 C基础液 3水平 缓冲液 蒸馏水 自来水D维生素 2水平 加维生素 不加维生素 23 2 2 3 2析因试验的钩端螺旋体计数 24 正确应用析因设计 析因设计各处理组间在均衡性方面的要求与完全随机设计一致 各处理组样本含量应尽可能相同 析因设计对各因素不同水平的全部组合进行试验 故具有全面性和均衡性 析因设计可以提供三方面的重要信息 各因素不同水平的效应大小各因素间的交互作用通过比较各种组合 找出最佳组合当考虑的因素较多 处理组数会很大 比如 4个因素各3个水平的处理数为34 81种 这时采用析因设计不是最佳选择 可选用正交设计 析因设计的优点之一是可以考虑交互作用 但有时高阶交互作用是很难解释的 实际工作中常只考虑一 二阶交互作用 25 实验设计 实验设计的基本构成 三个基本要素 四个基本原则 受试对象处理因素试验效应 随机化的原则对照的原则重复的原则均衡的原则 实验设计的基本构成 降压药 高血压病人 血压值 其他因素 其他效应 26
