常用实验设计方法 (2)

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1、常用实验设计方法 流行病与卫生统计学研究所 2009.6.4,医学实验设计必须遵循对照、随机、重复和均衡的基本原则。不同的研究目的应采用不同的设计方法安排实验。医学研究中常用的实验设计方法有： 1. 完全随机设计 2. 配对设计 3. 配伍组设计 4. 交叉设计 5. 析因试验设计 6. 拉丁方设计 7. 正交试验设计 8. 均匀设计,常用实验设计方法,完全随机设计是根据试验处理数将全部受试对象随机地分成若干组，然后再按组实施不同处理的设计。这种设计保证每个受试对象都有相同机会接受任何一种处理，而不受试验人员主观倾向的影响。 在医学研究等试验中，当试验条件特别是受试对象的初始条件比较一致时，可

2、采用完全随机设计。这种设计应用了重复和随机两个原则，因此能使试验结果受非处理因素的影响基本一致，真实反映出试验的处理效应。,常用实验设计方法,完全随机设计（completely random design） ：,不考虑个体差异的影响，仅涉及一个处理因素，但可以有两个或多个水平，故亦称单因素实验设计。 该设计常用于将受试对象按随机化原则分配到处理组和对照组中，各组样本例数可以相等，也可以不等，但相等时效率高。 优点：设计和统计分析方法简单易行； 缺点：只分析一个因素，不考虑个体间的差异，因而要求各观察单位要有较好的同质性，否则，需扩大样本含量。,常用实验设计方法,完全随机设计（completel

3、y random design） ：,设计方法,先将实验对象编号，按预先规定，利用随机排列表（或随机数字表）的随机数字将实验对象随机分配到各组中去（用随机排列表进行分组时，各组例数相等；用随机数字表进行分组时，各组例数常不相等，故常用前者）。 例：按完全随机设计方法将10只小鼠随机分 配到甲、乙两组。,常用实验设计方法,完全随机设计（completely random design） ：,二、试验结果的统计分析 对于完全随机试验的统计分析，由于试验处理数不同，统计分析方法也不同。 （一）处理数为2 两个处理的完全随机设计也就是非配对设计，对其试验结果采用非配对设计的 t 检验法进行统计分析。,

4、完全随机设计（completely random design） ：,常用实验设计方法,（二）处理数大于2 若获得的资料各处理重复数相等，则采用各处理重复数相等的单因素试验资料方差分析法分析；若在试验中，因受到条件的限制或受试动物出现疾病、死亡，或病人中途退出等使获得的资料各处理重复数不等，则采用各处理重复数不等的单因素试验资料方差分析法分析。 完全随机设计的优缺点 完全随机设计是一种最简单的设计方法，主要优缺点如下： 完全随机设计的主要优点 1、设计容易 处理数与重复数都不受限制，适用于试验条件、环境、试验动物差异较小的试验。,完全随机设计（completely random design）

5、 ：,常用实验设计方法,2、统计分析简单 无论所获得的试验资料各处理重复数相同与否，都可采用 t 检验或方差分析法进行统计分析。 （二）完全随机设计的主要缺点 1、由于未考虑非试验因素的影响，将其归入试验误差，试验误差较大，试验的精确性较低。 2、在试验条件、环境、试验动物差异较大时，不宜采用此种设计方法。,常用实验设计方法,完全随机设计（completely random design） ：,将受试对象按配对条件配成对子，再按随机化原则把每对中的两个个体分别分配到实验组或对照组。常用于动物实验。 配对条件：一般以主要的非实验因素作为配比条件。动物实验中，常将同性别、同窝别、体重相近的两个动物

6、配成一对；人群试验中，常将性别和年龄、生活条件、工作条件相同或相近的两个人配成对子。 某些医学实验研究中的自身对照也可看作是配对设计，如某指标治疗前后的比较（平行样本）；同一受试对象不同部位、不同器官的比较；同一标本不同检测方法的比较。,配对设计（paired design） ：,常用实验设计方法,例 试将已配成10对的20只小鼠随机分配到甲、乙两组。 先将小鼠编号，如第一对第一受试者编号为1.1，第二受试者编号为1.2，余仿此。再从随机排列表中随机指定某行，例如第6行，依次将09之间的随机数字录于受试者编号下，舍去1019之间的数字，并规定随机数字为奇数时取甲乙顺序，偶数时取乙甲顺序。,设计

7、方法,配对设计（paired design） ：,常用实验设计方法,分组结果 甲组：1.2、2.2、3.1、4.2、5.1、6.2、7.1、 8.2、9.1、10.1 乙组：1.1、2.1、3.2、4.1、5.2、6.1、7.2、 8.1、9.2、10.2,设计方法,配对设计（paired design） ：,常用实验设计方法,配对设计（paired design） ：,配对设计是处理数为2的随机区组设计。其优点是结果分析简单，试验误差通常比非配对设计小，但由于试验对象配对要求严格，不允许将不满足配对要求的试验对象随意配对。,常用实验设计方法,配对设计（paired design） ：,相当于

8、配对的扩展，即将几个受试对象按一定条件配成区组，再将每一区组的受试对象随机分配到各个处理组中。,随机区组设计(randomized block design),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,常用实验设计方法,根据局部控制的原则，如将同窝、同性别、体重基本相同的动物划归一个区组 ，每一区组内的动物数等于处理数，并将各区组的试验动物随机分配到各处理组，这种设计称为随机区组设计。,随机区组设计(randomized block design),常用实验设计方法,设计方法,例 按体重和年龄为配比条件将12只雌性小鼠配成4个区组，试对每个

9、区组内的3只小鼠随机分配，分别给予甲、乙、丙3种饲料。,常用实验设计方法,随机区组设计(randomized block design),先给动物编号：第1配伍组为13号，第2配伍组为46号，第3配伍组为79号，第4配伍组为1012号；再从随机排列表中，任意指定连续的4行，如第1215行，每行只取随机数字13，其余舍去，依次列于各配伍组的受试者编号下，并规定随机数字为1的小鼠喂以甲饲料，为2的小鼠喂以乙饲料，为3的小鼠喂以丙饲料。分配结果如下：,设计方法,随机区组设计(randomized block design),随机区组设计的优缺点 （一）随机区组设计的主要优点 1、设计与分析方法简单易

10、行。 2、在对试验结果进行分析时，能将单位组间的变异从试验误差中分离出来，有效地降低了试验误差，因而试验的精确性较高。 3、把条件一致的受试动物分在同一区组，再将同一区组的受试动物随机分配到不同处理组内，加大了处理组之间的可比性。,常用实验设计方法,随机区组设计(randomized block design),（二）随机区组设计的主要缺点 当处理数目过多时，各区组内的受试动物数数目也过多，要使各单位组内受试动物的初始条件一致将有一定难度，因而在随机区组设计中，处理数以不超过20为宜。 配对与配伍组设计是按配比条件配对或配伍，考虑了个体差异的影响，可分析处理因素和个体差异对实验效应的影响，所以

11、又称两因素实验设计，比完全随机设计的检验效率高；可减少样本含量。,常用实验设计方法,随机区组设计(randomized block design),常用实验设计方法,交叉设计（cross-over design）,设计方法,先将条件相近的观察对象配对并编号（如1.1，1.2；2.1，2.2；3.1，3.2 或1,2；3,4；5,6； ），再用随机分组方法将各对对象分配到A、B两组；其中一个观察对象在第阶段接受A处理，第阶段接受B处理；另一个观察对象在第阶段接受B处理，第阶段接受A处理。要求观察对象的例数为偶数。 A、B两种处理在全部试验过程中“交叉”进行，故称交叉试验设计。该设计中A、B处理方

12、式处于先后2个试验阶段的机会均等，因而平衡了试验顺序的影响，能把处理方法间的差别与时间先后间的差别分开来分析。,交叉设计（cross-over design）,例 某研究者欲通过12只大白鼠研究A、B两种参数电针刺激后痛域值上升情况，同时还考虑了个体差异与A、B顺序对痛域值的影响。试作交叉设计。 设计如下：先将12只大白鼠按条件相近者配对并依次编号（1.1,1.2；2.1,2.2；3.1,3.2； 或1,2；3,4；5,6 ），再任意指定随机数字表中的任一行（如第6行），并规定随机数字为奇数时，对子中的单号观察单位先用A后用B，双号观察单位先用B后用A；随机数字为偶数时，对子中的单号观察单位先

13、用B后用A，双号观察单位先用A后用B。,设计方法,交叉设计（cross-over design）,分组结果：1、4、5、8、9、11号大白鼠用药顺序是 A B ， 2、3、6、7、10、12号大白鼠用药顺序是 B A。,设计方法,交叉设计（cross-over design）,交叉设计（cross-over design）,设计方法,统计分析方法,交叉设计（cross-over design）,统计分析方法,交叉设计（cross-over design）,统计分析方法,交叉设计（cross-over design）,是在自身配对设计基础上发展起来的，该设计考虑了1个处理因素（A、B两水平），2

14、个与处理因素无交互作用的非处理因素（试验阶段和受试对象）对试验结果的影响。 优点：具备自身配对设计的全部优点，如减少个体间的差异，减少样本含量；能控制时间因素（试验阶段）对处理因素的影响，因而优于自身对照设计；各试验对象均接受了试验因素和对照，符合医德要求。,优缺点,交叉设计（cross-over design）,适用条件及应注意的问题,1.处理因素只有2水平（A、B），且两个非处理因素（试验阶段、受试对象）与处理因素间无交互作用。 2.要求两阶段间须有一定间隔时间，以消除前阶段治疗措施的残留效应，保证两阶段的起始条件一致；间隔时间的长短可参照药典或预试验中药物在血清中的衰减速度； 3.两次观

15、察的时间不能过长，处理效应不能持续过久； 4.适用于病情较稳定、病程可以分阶段、短期治疗可见疗效的疾病； 5.为消除患者的心理作用或防止研究者的暗示，一般 多采用盲法。,交叉设计（cross-over design）,是一种将两个或多个因素的各水平交叉分组，进行实验（或试验）的设计。 不仅可以检验各因素内部不同水平间有无差异，还可检验两个或多个因素间是否存在交互作用。若因素间存在交互作用，表示各因素不是独立的，一个因素的水平发生变化，会影响其它因素的实验效应；反之，若因素间不存在交互作用，表示各因素是独立的，任一因素的水平发生变化，不会影响其它因素的实验效应。,析因实验设计（factorial

16、 experimental design）,常用实验设计方法,设计方法,该设计是通过各因素不同水平间的交叉分组进行组合的。因此，总的实验组数等于各因素水平数的乘积。例如，2个因素各有3个水平时，实验组数为33=9；4个因素各有2个水平时，实验组数为24=16。所以，应用析因实验设计时，分析的因素数和各因素的水平数不宜过多。一般因素数不超过4，水平数不超过3。 常见的设计模型有22析因实验设计、222析因实验设计和2232析因实验设计。,常用实验设计方法,析因实验设计（factorial experimental design）,22析因设计属两因素析因实验设计，其它的两因素析因实验设计还有23，33，24，34等。两因素析因实验设计用于研究 A、B 两个因素内部不同水平间有无差异，特别是研究 A、B 因素间是否存在交互作用（AB）的情况。 22析因设计是指有2个因素，每个因素各有2个水平，共有4个组合。设 A1代表 A 因素的1水平，A2代表 A因素的