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1、实验设计,山东大学学公卫学院 孙秀彬,2,主要内容,一、实验研究的特点及分类 二、实验设计的基本原则 三、实验设计的基本要素 四、控制误差与偏倚 五、常用实验设计方法,3,立题（发现问题、提出假说） 研究设计 搜集资料 整理资料 分析资料 验证假说、理论概括,4,科研设计的质量直接影响着实验结果的准确性、可靠性、严密性和代表性，是实验数据的前提，决定着科学研究的成败。一个完整的科研设计包括专业设计和统计设计。二者相互结合，缺一不可。 专业设计：指研究者对专业知识的把握能力，直接影响着实验的深度和水平。 统计设计：指研究者对统计知识的正确应用，直接影响着科学实验的质量。统计设计的任务是从研究的部
2、署、实施、直到研究结果的解释，进行系统的安排，要做到以最少的人力和物力来获得可靠的结论与信息。,5,根据搜集资料的方法，可将科学研究分为两大类： 调查研究：研究者只是“被动”地观察客观实际情况，不对研究对象施加任何干预措施。- 调查设计 实验研究：研究者给研究对象人为地施加干预因素，然后观察这种干预因素产生的效应。-实验设计,6,实验设计,实验设计是科研计划的具体实施方案，是进行实验和统计分析的依据，是科学研究顺利进行以达到预期目标的重要保障。 一个科学合理的实验设计应该包括：根据研究目的确定研究内容、技术路线和研究方法，特别是如何用较少的人力、物力、财力和时间，最大限度地减少误差来进行实验、
3、获得可靠的结果。,7,一、实验研究的特点及分类：,1、 实验研究的特点： （1）处理因素是研究者人为设置的； （2）受试对象接受何种处理因素或水平是由随机分配而定的，因此各组的非处理因素均衡性好，组间具有可比性。 （3）能使多个实验因素包含在较少次数的实验中，能有效地控制误差。,8,一、实验研究的特点及分类：,2、实验研究的分类： (1)实验室研究（experiment in laboratory） (2)临床试验（clinical trial） (3)社区干预试验(community intervening trial),9,实验研究的分类,(1)实验室研究(experiment in la
4、boratory)： 以实验动物或某些标本为实验对象，容易随机化，研究者可以主动地施加任何干预措施。通常为一些探索性研究，例如毒物的致畸、致癌、致突变实验，一些药理实验等。,10,实验研究的分类,（2）临床试验（clinical trial） 以临床上的病人为实验对象。研究者在选择研究对象和施加干预措施时应特别注意要符合医学伦理学的要求，一般局限于对病人身心无损的实验，目的多为研究某种药物或某项疗法的疗效，且多为证实性研究。另外，由于人具有自然属性和社会属性，其心理状态和依从性会影响实验结果，故在设计时，应严格控制误差和偏倚。,11,实验研究的分类,(3)社区干预试验（community in
5、tervening trial） 以社区中的健康人群为研究对象，目的往往是观察某项保护性措施对疾病的防治效果。由于社区干预试验难以对研究对象进行良好的随机分配，因此又称半实验研究（quasi-experiment）。 例如，观察肾综合征出血热疫苗对肾综合征出血热的预防作用。,12,二、实验设计的基本原则：,对照(control)的原则 随机化(randomization)原则 重复(replication)的原则 均衡( homogeneity )的原则,13,(一)对照的原则,医学实验的目的是能够得到处理因素(treatment,T)的实验效应(effect,E)，即TE。但在实验中，不可能
6、是单纯的处理因素在起作用，非处理因素(S)也会起作用，即T+Se+s。如何得到T产生的效应e，就要有一个实验设计，设计的主要手段是通过设立对照组对S加以控制和抵销，从而显示出处理因素的作用。,14,对照的原则常用的对照形式,空白对照 实验对照 标准对照 自身对照 配对对照 相互对照 历史对照 安慰剂对照,15,对照的原则对照的形式,1、空白对照： 是指对照组不给以任何处理。例：为了解某疫苗效果，选两个发病率与人口构成和风俗习惯都接近的地区，一组接种疫苗(实验组)，一组不接种疫苗也不采取任何干预措施(空白对照组)，观察两地发病率的变化情况。临床试验中较少用。 示意图 试验组：T+S1 e+s1
7、| | 对照组：0+S2 0+s2 - T e,16,对照的原则对照的形式,2、实验对照：不给对照组施加处理因素，但施加某种实验因素，即对照组采用与实验组相同的操作程序但不含处理因素。 例如：观察赖氨酸对儿童生长发育的影响，给实验组的儿童课间加餐含赖氨酸的面包，对照组儿童课间加食不含赖氨酸的面包。处理因素是赖氨酸，实验因素“面包量”是非处理因素，两组的非处理因素是相同的。,17,对照的原则对照的形式,3、标准对照：不设立专门的对照组，而是用现有的标准值或正常值做对照。在临床试验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，切忌以降低标准组效应的方法使实验组效应提高。,
8、18,对照的原则对照的形式,4、自身对照：对照和实验在同一批受试者身上进行，例如用药前后。这种对照具有了控制受试者间误差的特点，但对照和处理的效应指标是在不同时间测定的，因而引入了“时间”这一因子，所以一般情况下还要设立平行对照或采用交叉设计。,19,对照的原则对照的形式,5、配对对照：将受试对象按非处理因素条件相同或相近者配对，然后采用随机分组的方法将它们分别置于实验组和对照组中去。这将减少样本间的个体误差，使两种处理存在的差别更好地显示出来。,20,对照的原则对照的形式,6、相互对照：不专门设置对照组，而是2 个或几个实验组间相互对照。例如，用莫雷西嗪治疗室性早搏，设立冠心病组、高血压病组
9、和心肌病组，比较该药对由这三种疾病引起的室性早搏的疗效。 示意图： 试验组：T1+S1 e1+s1 | | 对照组：T2+S2 e2+s2 - T1-T2 e1-e2 比较e1与e2孰优孰劣。,21,对照的原则对照的形式,7、历史对照：以本人过去的研究或他人的研究结果与本次研究结果作对照。 例如：第一只克隆羊的诞生，第一例非体外循环条件下的冠状动脉搭桥术成功的报告，都能得到承认。历史对照仅适用于非处理因素影响较小的少数疾病，常规实验一般不宜使用，若用时，必须考虑资料间的可比性。 例如，恶性肿瘤患者的生存率,22,对照的原则对照的形式,8、安慰剂对照：实验组用某一种药物，对照组则采用一种无药理作
10、用的安慰剂(placebo)，它们在外观上不能为受试者所识别。 使用安慰剂有助于避免对照组与试验组病人不同的心理作用的影响，但使用时必须遵守医德，并且通常要采用盲法(单盲、双盲、三盲)。,23,(二)、随机化原则,随机化(randomization)，就是每一个受试对象都有同等的机会被分配到任何一组中，分组的结果不受人为因素的干扰和影响。实验设计中必须遵循随机化的原则，这是保证各组受试对象的非处理因素均衡一致的重要手段。 随机分配的方法：抽签、随机数字表、随机排列表。,24,(三)、重复的原则,重复(replication)，是指在实验中，每一个处理组要通过足够数量的受试对象(即足够的样本含量
11、)，才能排除非处理因素和偶然因素的影响。是消除非处理因素影响的又一重要手段，同时也消除偶然因素的影响。 正确估计观察例数的原则：在保证研究结果具有一定的代表性和可靠性的基础上所需要的最少例数。,25,重复的原则决定样本含量的参数,1.检验水准 : 越小,所需的样本量越大; 2.检验效能(1- ): 1- 越大,样本量越大; 3.总体中研究指标的变异程度 : 越大, 所需样本量越大； 4.组间总体参数的差值或容许误差 : 越小,所需样本量越大。,26,重复的原则样本含量的估计方法,1.样本均数与总体均数的比较：,27,重复的原则样本含量的估计方法,2.配对设计和交叉设计实验的样本含量估计 式中，
12、N为实验所需的对子数目。,28,重复的原则样本含量的估计方法,3.两样本均数比较 式中，N为每组所需的样本例数。,29,重复的原则样本含量的估计方法,4.样本率与总体率比较,30,重复的原则样本含量的估计方法,5.两样本率比较 式中， N为总例数，每组例数为N/2。,31,重复的原则样本含量的估计方法 6、配对计数资料,表 A、B两种检验方法比较,式中，N为实验所需的对子数。,32,重复的原则样本含量的估计方法 7. 多个样本均数比较,式中N为各组样本所需例数， 和 分别为第 个样本的均数和标准差的初估值， ，为组数。 值可用相应的工具表查得。,33,重复的原则样本含量的估计方法,8. 多个样
13、本率比较,式中N为每个样本所需观察例数， 由相应的统计表查得。,34,重复的原则样本含量的估计方法9、 估计总体均数,式中N为所需的样本含量。,35,重复的原则样本含量的估计方法10. 估计总体率,式中N为所需的样本含量。,36,重复的原则样本含量的估计方法,11. 直线相关分析的样本含量,式中，N为相关分析的样本例数, 为估计的总体相关系数。,37,（四）均衡的原则,均衡，就是各组的受试对象除接受的处理因素不同外，其他影响试验效应的非处理因素要基本相同。 只有在均衡的条件下，各组才具有可比性,38,三、实验设计的基本要素,处理因素 受试对象 实验效应 例如：用某种降压药物治疗高血压患者，观察
14、其 处理因素 受试对象 血压下降的情况 。 实验效应,39,(一)处理因素(study factor, treatment),所谓处理因素，就是指在试验中研究者希望着重考察的某些试验条件或给受试对象施加的外部干预措施。 实验中影响实验结果的因素有很多，在一次实验中，研究者不可能也不必要对所有影响因素都进行研究，因此，在实验设计中，常常将处理因素以外的影响因素称为非处理因素。,40,处理因素可以是人为主动施加的，如某种药物、手术方法、毒物等；也可以是客观存在的某些实验条件(如温度、pH值)或是受试对象本身的某些特征(如性别、年龄等)。 处理因素可以是一个，也可以是多个。同一个因素可以根据不同强度
15、或状态分为几个水平。如观察某种药物三种不同剂量的效果，即为单因素三个水平；若同时观察这种药物两种给药方式（口服和肌注）、三种不同剂量的效果，这时给药方式和剂量则成为两个处理因素，其中一个因素为两水平，一个因素为三水平，统称为两因素多水平。,41,实验设计中，确定处理因素时需注意以下几点：,1、明确处理因素和非处理因素； 2、抓住实验中的主要因素； 3、处理因素必须标准化。,42,（二） 受试对象(subjects)：,医学研究的受试对象有人和动物 1、实验动物的选择：不同实验内容和实验目的有不同的要求，实验中应明确其种属、品系、月龄、生理状态、性别、体重、窝别等。具体方法参见“实验动物学”。
16、2、人的选择：病人：应注意病例的来源、诊断标准、纳入标准、排除标准，另外，病人的依从性要好。健康人：明确健康的概念，排除有某些特定疾病的人。具体参见 “临床试验设计”。,43,（三）实验效应(effect of the treatment)：,指受试对象接受处理因素后的反应，是研究结果的最终体现，也是实验研究的核心内容。 应具体化为观察指标，通过观察指标定量或定性地反映实验效应。研究者应当对所研究的问题有全面的了解，避免设计时遗漏重要的观察指标。,44,选择效应指标的基本原则：,客观性：尽可能地选用客观指标。 关联性：即指标应与研究目的有本质的联系，可通过查阅文献、预备实验或理论分析而定。 精确性：包括
