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1、实验研究设计与数据分析实验研究设计与数据分析- -3 3 郭艳 中山大学公共卫生学院 医学统计与流行病学系 第三讲第三讲 1 本讲内容本讲内容 交叉设计交叉设计(cross-over design) 重复测量设计重复测量设计(repeated measure) 上讲内容：上讲内容： 随机区组设计随机区组设计 析因设计析因设计 2 1. 交叉设计交叉设计 特殊自身对照设计，按事先设计好的实验次序次序， 在各个时期时期对受试对象先后实施各种处理处理，以比 较处理组间的差异。 服用服用A药药 服用服用B药药 洗 脱 阶 段洗 脱 阶 段顺序顺序1 顺序顺序2 服用服用B药药 服用服用A药药 观察疗效
2、观察疗效 观察疗效观察疗效 观察疗效观察疗效 观察疗效观察疗效 3 实验因素有两个水平（设为实验因素有两个水平（设为A、B），先后作用于），先后作用于 每一个受试对象每一个受试对象 - 受试者和实验顺序是两个重要的非实验因素。受试者和实验顺序是两个重要的非实验因素。 受试对象在接受第二种处理时，不能有前一种处理的剩余效应剩余效应(carry-over effects)。两次处理之间应有适当的时间间隔即清洗阶段清洗阶段。 需要适当长度的“洗脱期”（washout period）。在药物临床试验中，一般要求不小于药物的5 5个半衰期。 4 成组交叉设计成组交叉设计：将全部：将全部2n个受试对象完全
3、随机均个受试对象完全随机均分为两组分为两组; 随机地决定其中一组先接受随机地决定其中一组先接受A, 后接受后接受B, 另一组相反另一组相反, 先接受先接受B, 后接受后接受A 配对交叉设计配对交叉设计：将全部：将全部2n个受试对象按某些重要个受试对象按某些重要的非实验因素配成的非实验因素配成n对，随机地决定每对中的一个对，随机地决定每对中的一个先接受先接受A, 后接受后接受B，另一个相反，另一个相反 5 交叉设计的优缺点 交叉设计每个个体接受两种处理，节约样本含量；也交叉设计每个个体接受两种处理，节约样本含量；也 平衡实验顺序对结果的影响平衡实验顺序对结果的影响 缺点：缺点： 不适用于具有自愈
4、倾向或病程短的研究；不适用于具有自愈倾向或病程短的研究； 两种处理之间应有足够长的洗脱期。两种处理之间应有足够长的洗脱期。 6 例例10：两种耗氧量的比较：两种耗氧量的比较 为了比较两种体育运动为了比较两种体育运动（运动运动A和运动和运动B）在在1小时内的耗小时内的耗氧量氧量(ml/h)，征集征集24名条件相似的运动员名条件相似的运动员。采用交叉设计采用交叉设计，随机分成两组随机分成两组，第一组先进行运动第一组先进行运动A，然后休息然后休息3小时再进小时再进行运动行运动B；第二组先进行运动；第二组先进行运动B，然后休息然后休息3小时再进行运小时再进行运动动A。测定结果如下表所示测定结果如下表所
5、示，试问：两种体育运动的耗氧试问：两种体育运动的耗氧量量(ml/h)是否不同是否不同？ 7 表表6 24名运动员经历两种体育运动后耗氧量测定结果名运动员经历两种体育运动后耗氧量测定结果(ml/h) 处理效应：两种运动类型运动员的平均耗氧量是否相同 阶段效应：两个阶段运动员的平均耗氧量是否相同 顺序效应：两种顺序运动员的平均耗氧量是否相同 顺序 1 顺序 2 编 号 阶段 1 阶段 2 编 号 阶段 1 阶段2 编 号 阶段 1 阶段 2 编 号 阶段 1 阶段 2 运动 A 运动 B 运动 A 运动B 运动 B 运动 A 运动 B 运动 A 1 1064 1081 7 1041 1106 1
6、1053 1054 7 1086 1049 2 1010 1100 8 1009 1060 2 1049 1044 8 1068 1079 3 1026 1047 9 1056 1120 3 1037 1060 9 1056 1051 4 1030 1082 10 1027 1061 4 1089 1075 10 1051 1042 5 1040 1086 11 1026 1049 5 1074 1085 11 1058 1018 6 1027 1033 12 1013 1059 6 1032 1041 12 1016 1043 8 9 运运动动 A 1042.08 21.09 顺顺序序 1
7、1052.21 30.91 阶阶段段 1 1043.25 22.90 运运动动 B 1064.71 25.28 顺顺序序 2 1054.58 19.82 阶阶段段 2 1063.54 24.74 表表8 运动员的耗氧量的统计描述运动员的耗氧量的统计描述(均数均数标准差标准差) 基本步骤基本步骤 1. 建立检验假设，确定检验水准建立检验假设，确定检验水准 无效假设H10：两种运动类型的运动员的平均耗氧量相同 备择假设H11：两种运动类型的运动员的平均耗氧量不同 无效假设H20：两个阶段的运动员的平均耗氧量相同 备择假设H21：两个阶段的运动员的平均耗氧量不同 无效假设H30：两种顺序的运动员的平
8、均耗氧量相同 备择假设H31：两种顺序的运动员的平均耗氧量不同 05. 010 交叉设计资料的分析交叉设计资料的分析 表 14-4 22 交叉设计资料的方差分析表 方差来源 SS df MS F 总变异 2111()ggnTijkr kjiSSX- X ng2-1 处理 grrXXngSS12 1)(G-1 MS1 21 1 EMSMSF 阶段 gkkXXngSS12 2).( g-1 MS2 2 2 2EMSFMS顺序 gjjXXngSS12 3).( g-1 MS3 13 3 EMSMSF 个体间变异 211(.)gnEij ijSSgXX1g(n-1) MSE1 个体内误差 ETESSS
9、SSSSSSSSS21231 (ng-2)(g-1) MSE2 5 11 2. 计算检验统计量计算检验统计量 表表7 交叉设计的运动员耗氧量观察资料的方差分析表交叉设计的运动员耗氧量观察资料的方差分析表 方差来源 SS df MS F P 处理效应 6142.69 1 6142.69 24.31 0.0001 阶段效应 4941.02 1 4941.02 19.55 0.0002 顺序效应 67.69 1 67.69 0.10 0.7505 个体间变异 14366.29 22 653.01 误差 5559.79 22 252.72 合计 31077.48 47 661.22 12 3. 确定确
10、定P 值，作出推断结论值，作出推断结论 对对处理效应处理效应统计检验得统计检验得P PP0.05 0.05 ，故不能拒绝，故不能拒绝H H3030，没有足够的证据可，没有足够的证据可 以认为运动员的平均耗氧量与这二种运动顺序有关以认为运动员的平均耗氧量与这二种运动顺序有关 表表8 运动员的耗氧量的统计描述运动员的耗氧量的统计描述(均数均数标准差标准差) 运动 A 1042.08 21.09 顺序 1 1052.21 30.91 阶段 1 1043.25 22.90 运动 B 1064.71 25.28 顺序 2 1054.58 19.82 阶段 2 1063.54 24.74 13 如果方差分
11、析拒绝了处理效应的无效假设，还需对如果方差分析拒绝了处理效应的无效假设，还需对各种处理效应进行两两比较。各种处理效应进行两两比较。 本例中由于处理水平数为本例中由于处理水平数为2，可以依据两种方式的样本均数，可以依据两种方式的样本均数推断何种运动方式的平均耗氧量高，但对于多种运动方式推断何种运动方式的平均耗氧量高，但对于多种运动方式（或其它研究中的多种药物交叉试验），必须通过两两比（或其它研究中的多种药物交叉试验），必须通过两两比较才能推断何种处理水平的总体均数高。较才能推断何种处理水平的总体均数高。 14 2. 重复测量设计重复测量设计 定义：定义： 重复测量设计是在不同条件下，从同一受重复
12、测量设计是在不同条件下，从同一受 试对象上重复获得某指标观测值的一种试试对象上重复获得某指标观测值的一种试 验设计类型。验设计类型。 15 2. 重复测量设计重复测量设计 在实际工作中，重复测量资料比独立观察资料往在实际工作中，重复测量资料比独立观察资料往 往更为多见：往更为多见： 1、临床研究、临床研究 2、流行病学研究、流行病学研究 3、卫生学研究、卫生学研究 16 2. 重复测量设计重复测量设计 特点特点 在不同条件下，从同一个受试对象身上观测到在不同条件下，从同一个受试对象身上观测到K个数据（个数据（ K2）。 重复测量设计的一个突出特点是测自同一受试对象的多个重复测量设计的一个突出特
13、点是测自同一受试对象的多个 数据之间具有不等的相关性，即间隔越近的数据相关性越数据之间具有不等的相关性，即间隔越近的数据相关性越 强，反之亦然。强，反之亦然。 “在不同条件下”，通常指“时间因素”取不同的水平；在不同条件下”，通常指“时间因素”取不同的水平；也可以指身体上的“不同部位”或“不同组织”。也可以指身体上的“不同部位”或“不同组织”。 17 2. 重复测量设计重复测量设计 不同时间的重复测量不同时间的重复测量 将受试对象分成若干个组将受试对象分成若干个组 每一组接受一种处理每一组接受一种处理 同一个受试对象同一个受试对象在几个时间点上在几个时间点上观测观测 几个时间点上几个时间点上的
14、观测值“打包”分析的观测值“打包”分析 18 2. 重复测量设计重复测量设计 不同部位不同部位 将受试对象分成若干个组将受试对象分成若干个组 每一组接受一种处理每一组接受一种处理 同一个受试对象同一个受试对象在几个部位上在几个部位上观测观测 几个部位上几个部位上的观测值“打包”分析的观测值“打包”分析 不同组织不同组织 将受试对象分成若干个组将受试对象分成若干个组 每一组接受一种处理每一组接受一种处理 同一个受试对象同一个受试对象在几个组织上在几个组织上观测观测 几个组织上几个组织上的观测值“打包”分析的观测值“打包”分析 19 例例13 以重复测量的两因素设计研究两种药物噻胺酮以重复测量的两
15、因素设计研究两种药物噻胺酮 (20mg/kg) 和氯胺酮和氯胺酮 (20mg/kg) 对大鼠肌电图频数对大鼠肌电图频数 的影响的影响 肌电图频数(次/s) 药物种类 鼠号 0 min 5 min 10 min 30 min 90 min 180 min 噻胺酮 1 8.5 5.5 5.0 4.5 3.5 4.5 2 9.0 5.5 5.0 4.5 3.5 3.0 3 8.5 7.0 5.5 5.0 4.5 5.0 4 8.5 5.5 5.0 4.5 3.5 3.0 5 8.5 6.0 5.5 5.0 4.0 6.5 6 9.0 4.5 6.0 5.5 4.5 4.0 氯胺酮 7 7.5 8.0 8.0 7.0 7.0 7.0 8 7.5 8.0 8.0 7.0 7.0 7.5 9 9.5 8.5 6.5 6.0 6.0 7.0 10 9.0 9.0 8.5 8.0 7.5 8.0 11 8.0 8.5 8.0 7.5 7.5 8.0 12 8.5 8.0 8.0 7.0 6.5 7.0 20 重复测量资料分析的优点重复测量资料分析的优点 （1）减少样本含量；）减少样本含量； （2）控制个体变异，即个体差异）控制个体变异，即个体差异 21 重复测量与随机区组的差异重复测量与随机区
