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1、实验设计的基本要素实验设计的基本要素降压药降压药高血压病人高血压病人血压值血压值处理因素处理因素受试对象受试对象实验效应实验效应实验设计的基本原则实验设计的基本原则对照原则对照原则 principle of control 均衡原则均衡原则 principle of homogeneity随机原则随机原则 principle of randomization 重复原则重复原则 principle of replication 常用医学实验设计常用医学实验设计Medical Experimental Design 梁海燕梁海燕新乡医学院公共卫生学院新乡医学院公共卫生学院（一）完全随机设计（一）完
2、全随机设计（二）配对设计（二）配对设计（三）随机区组设计（三）随机区组设计常用实验设计方案（四）拉丁方设计（四）拉丁方设计（五）析因设计（五）析因设计（六）正交设计（六）正交设计一、完全随机设计一、完全随机设计(completely random design)(completely random design)完完全全随随机机设设计计将将实实验验对对象象完完全全随随机机地地分分配配到到实实验验组组与与对对照照组组（或或多多个个处处理理组组）中中然然后后分分别别给给予予被被试试因因素素及及对对照照物物，对对它它们们的的效效应应进进行行同同期期平平行观察，最后对实验结果进行成组统计分析。行观察，
3、最后对实验结果进行成组统计分析。完完全全随随机机设设计计亦亦称称单单因因素素设设计计，即即只只有有1 1种种处理因素，但可以有多个水平。处理因素，但可以有多个水平。一、完全随机设计受试对象受试对象实验组实验组1，2，对照组对照组随机化随机化各组样本含量可以相等，也可以不等，各组样本含量可以相等，也可以不等，但但相等时统计分析效率最高。相等时统计分析效率最高。完全随机化分组方法完全随机化分组方法1.1.将受试对象依次编号将受试对象依次编号; ;2.2.用抽签法、用抽签法、随机数字表法随机数字表法、随机排列表法随机排列表法把受把受试对象随机分配到各处理组中去。试对象随机分配到各处理组中去。完全随机
4、设计的随机分配方法完全随机设计的随机分配方法l样本例数样本例数 2020，使用，使用随机排列表随机排列表l样本例数样本例数 2020，使用，使用随机数字表随机数字表1. 1. 将动物依次编号将动物依次编号1 1，2 2，.18.182. 2. 从随机数字表中从随机数字表中从任一数字开始向任一方向从任一数字开始向任一方向查查出出1818个随机数字，依次抄录于动物编号下面个随机数字，依次抄录于动物编号下面3. 3. 按预先规定，将随机数字为偶数者分入按预先规定，将随机数字为偶数者分入A A组，组，为奇数者分入为奇数者分入B B组组4. 4. 组间调整组间调整方法一、随机数字表法分组方法一、随机数字
5、表法分组例例1 1 试将性别相同、体重相近的试将性别相同、体重相近的1818只实验只实验动物等分到动物等分到A A、B B两组。两组。动动物物号号123456789101112131415161718随随机机数数字字162277943949544354821737932378873520组组别别AABABBABAABBBBABBA用随机数字表进行分组用随机数字表进行分组初步分配结果初步分配结果组组别别动物号动物号A12479101518B3568111213141617组间调整：接着摘抄一个随机数字，组间调整：接着摘抄一个随机数字，9696，除以，除以1010的余数为的余数为6 6，故把，故把
6、1212号动物分至号动物分至A A组中。组中。 最终分配结果最终分配结果组组别别动物号动物号A1247910151812B356811131416171. 1. 将动物依次编号将动物依次编号1 1，2 2，.30.302. 2. 从随机数字表中从随机数字表中从任一数字开始向任一方向从任一数字开始向任一方向查出查出3030个随机数字，依次抄录于动物编号下面个随机数字，依次抄录于动物编号下面3. 3. 求出每个随机数字被求出每个随机数字被3 3除后的余数除后的余数4. 4. 按预先规定，将余数为按预先规定，将余数为0 0者分入者分入A A组，为组，为1 1者分入者分入B B组，组，为为2 2者分入
7、者分入C C组。组。5. 5. 组间调整组间调整方法一、随机数字表法分组方法一、随机数字表法分组例例2 2 试将性别相同、体重相近的试将性别相同、体重相近的3030只实验只实验动物等分到动物等分到A A、B B、C C三组。三组。方法二、随机数字表法分组方法二、随机数字表法分组对象对象编号编号123456789101112131415随机随机数字数字除以除以3的余的余数数组别组别对象对象编号编号161718192021222324252627282930随机随机数字数字除以除以3的的余数余数组别组别方法二、随机数字表法分组方法二、随机数字表法分组对象对象编号编号1234567891011121
8、31415随机随机数字数字495443548217379323788735209643除以除以3的余的余数数101012102002201组别组别BABABCBACAACCAB对象对象编号编号161718192021222324252627282930随机随机数字数字842634916484421753315724550688除以除以3的的余数余数021110022100101组别组别ACBBBAACCBAABAB初步分配结果初步分配结果组间调整：组间调整：1.1.从随机数字表中接着查一随机数字，从随机数字表中接着查一随机数字，7777，除以，除以1212，余，余5; 5; ，则将则将A A组
9、中的第组中的第5 5只只“1111号号”分至分至C C组；组；组组别别动物号动物号A248101114162122262729B135715181920252830C691213172324组间调整组间调整1 1 组间调整：组间调整：1.1.从随机数字表中接着查一随机数字，从随机数字表中接着查一随机数字，7777，除以，除以1212，余，余5 5，则将，则将A A组中的第组中的第5 5只只“1111号号”分至分至C C组组；2.2.从随机数字表中接着查一随机数字，从随机数字表中接着查一随机数字，0404，除以，除以1111，余，余4 4，则，则将将A A组中的第组中的第4 4只只“1010号号
10、”分至分至C C组；组；组组别别动物号动物号A2481014162122262729B135715181920252830C69121317232411组间调整组间调整2 2组间调整：组间调整：1.1.从随机数字表中接着查一随机数字，从随机数字表中接着查一随机数字，7777，除以，除以1212，余，余5 5，则将，则将A A组中的第组中的第5 5只只“1111号号”分至分至C C组组；2.2.从随机数字表中接着查一随机数字，从随机数字表中接着查一随机数字，0404，除以，除以1111，余，余4 4，则将，则将A A组中的第组中的第4 4只只“1010号号”分至分至C C组组；组组别别动物号动物
11、号A24814162122262729B135715181920252830C6912131723241110组间调整组间调整3 3组间调整：组间调整：1.1.从随机数字表中接着查一随机数字，从随机数字表中接着查一随机数字，7777，除以，除以1212，余，余5 5，则将，则将A A组中的第组中的第5 5只只“1111号号”分至分至C C组组；2.2.从随机数字表中接着查一随机数字，从随机数字表中接着查一随机数字，0404，除以，除以1111，余，余4 4，则将，则将A A组中的第组中的第4 4只只“1010号号”分至分至C C组；组；3.3.从随机数字表中接着查一随机数字，从随机数字表中接着
12、查一随机数字，7474，除以，除以1111，余，余8 8，则，则将将B B组中的第组中的第8 8只只“2020号号”分至分至C C组；组；组组别别动物号动物号A24814162122262729B135715181920252830C6912131723241110最终分配结果最终分配结果组组别别动物号动物号A24814162122262729B1357151819252830C691213172324111020各组接受何种处理也要随机化。各组接受何种处理也要随机化。例例1 1 试将性别相同、体重相近的试将性别相同、体重相近的1818只实验动物等分到只实验动物等分到A A、B B两组。两组。
13、 1.1.将实验动物编号。将实验动物编号。2.2.查随机排列表：随机指定第查随机排列表：随机指定第6 6行，舍去行，舍去18181919字，将字，将0 01717之之间的数字依次录于动物号下。间的数字依次录于动物号下。3.3.预先规定，将随机数字为预先规定，将随机数字为0 08 8者分入者分入A A组，组，9 91717者分入者分入B B组。组。编号编号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18随机数随机数组组 别别方法二、随机排列表法分组方法二、随机排列表法分组动动物物号号123456789101112131415161718随随机机数数字字1
14、1215141081211743091661375组组别别BABBBABABAAABBABA A随机排列表法分组随机排列表法分组最终分配结果最终分配结果组组别别动物号动物号A268101112151718B134579131416一、完全随机设计优点：优点：简单易行。简单易行。实验中个别发生意外情况对实验结果影响不大。实验中个别发生意外情况对实验结果影响不大。缺点：缺点：一次实验只能分析比较一个因素的实验效应。一次实验只能分析比较一个因素的实验效应。没有控制混没有控制混杂因素在各组的影响，实验效率较低。杂因素在各组的影响，实验效率较低。要求样本含量相对较大要求样本含量相对较大完全随机设计分析方
15、法(计量资料)两两个个处处理理组组为为小小样样本本时时，可可以以考考虑虑两两个个样样本本均均数数比比较较的的检检验验或或秩秩和和检检验验(Wilcoxon(Wilcoxon两两样样本本比比较法较法) )。两两个个处处理理组组为为大大样样本本时时, ,可可以以用用两两个个样样本本均均数数比较的比较的检验。检验。多多个个处处理理组组时时可可以以考考虑虑单单因因素素方方差差分分析析法法或或秩秩和检验和检验(Kruskal Wallis(Kruskal Wallis法法) )。l例例1 1 高黏综合征患者血沉较快，某医生采用完全随高黏综合征患者血沉较快，某医生采用完全随机设计观察机设计观察A A、B
16、B两个降黏药物对血沉（两个降黏药物对血沉（mm/1hmm/1h）的影）的影响，结果如下表，试做统计分析。响，结果如下表，试做统计分析。A药组药组病例号次病例号次125781112151619治前血沉治前血沉40433641403738383539治后血沉治后血沉36353029302828302730前后差值前后差值4861210910889B组药组药病例号次病例号次3469101314171820治前血沉治前血沉39403943383640414045治后血沉治后血沉20253023242024202528前后差值前后差值1915920141616211517假设检验假设检验H H0 0：A
17、 A=B B，H H1 1：A AB B，=0.05=0.05（1 1）治前两组可比性检验：）治前两组可比性检验：n n1 1=n=n2 2=10=10，采用成组，采用成组t t检验。检验。A A药组：药组：X X1 1=38.7=38.7，S SA A=2.4=2.4B B药组：药组：X X2 2=40.1=40.1，S SA A=2.5=2.5t =(Xt =(X1 1-X-X2 2)/)/（s s1 12 2+s+s2 22 2）/n=1.277/n=1.277根据根据=18=18，查表查表t t0.20.2(18)=1.330(18)=1.330，t t0.40.4(18)=0.862
18、,0.2P0.4(18)=0.862,0.2P0.4，故认为两，故认为两组治疗前血沉是可比的。组治疗前血沉是可比的。（2 2）A A药组治疗前后比较：药组治疗前后比较：n=10n=10，采用配对，采用配对t t检验。检验。治疗后治疗后X XA A=30.3=30.3，S SA A=2.9=2.9，前后差值均数前后差值均数d=8.4d=8.4，标准差标准差s=2.2s=2.2T=12.074T=12.074，查表得查表得P0.01P0.01，故可认为，故可认为A A药治疗前后血沉显著降低。药治疗前后血沉显著降低。（3）B B药组治疗前后比较：药组治疗前后比较：n=10n=10，采用配对，采用配对
19、t t检验。检验。治疗后治疗后X XB B=23.9=23.9，S SB B=3.4=3.4，前后差值均数前后差值均数d=16.2d=16.2，标准差标准差s=3.4s=3.4T=15.067T=15.067，查表得查表得P0.01P0.01，故可认为，故可认为B B药治疗前后血沉显著降低。药治疗前后血沉显著降低。（4 4）A A、B B两药疗效比较：两药疗效比较： n n1 1=n=n2 2=10=10，对两组治疗前后差值均数对两组治疗前后差值均数采用成组采用成组t t检验。检验。t=6.091t=6.091，查表得查表得P0.01P0.01，故可认为故可认为B B药降低血沉的疗效显著优于药
20、降低血沉的疗效显著优于A A药的疗效。药的疗效。例例2 2 比较比较A A、B B两种药物对出血时间（分）的影响，两种药物对出血时间（分）的影响，结果是结果是A A药组（药组（n=8n=8）：）：4.54.5，6.46.4，7.07.0，7.67.6，7.87.8，8.58.5，8.68.6，8.98.9； B B药组（药组（n=10n=10）：）：7.47.4，8.28.2，8.48.4，8.88.8，8.98.9，9.09.0，9.29.2，9.69.6，10.210.2，11.411.4。试试问两组出血时间差异有无统计学意义？问两组出血时间差异有无统计学意义？（1 1）将两组数据混合由小
21、至大编排秩次）将两组数据混合由小至大编排秩次数据数据4.56.47.07.47.67.88.28.48.58.68.88.98.99.09.29.610.211.4组别AAABAABBAABBABBBBB秩次123456789101112131415161718（2 2）计算秩和：）计算秩和：T TA A=1+2+3+5+6+9+10+12.5=48.5=1+2+3+5+6+9+10+12.5=48.5T TB B=4+7+8+11+12.5+14+15+16+17+18=122.5=4+7+8+11+12.5+14+15+16+17+18=122.5如果计算正确，如果计算正确，T TA A+
22、T+TB B=(n=(n1 1+n+n2 2)(n)(n1 1+n+n2 2+1)/2+1)/2如此式不等，则计算有误。如此式不等，则计算有误。T TA A+T+TB B=48.5+122.5=171=48.5+122.5=171(n(n1 1+n+n2 2)(n)(n1 1+n+n2 2+1)/2=18*19/2=171+1)/2=18*19/2=171（3 3）判断：）判断：T TA A较小，较小，P0.05P2.58U2.58，P0.01P0.01，因此可以认为服用匹林能，因此可以认为服用匹林能够降低血液透析并发血栓形成的发生率。够降低血液透析并发血栓形成的发生率。（一）完全随机设计（一
23、）完全随机设计（二）配对设计（二）配对设计（三）随机区组设计（三）随机区组设计常用实验设计方案（四）拉丁方设计（四）拉丁方设计（五）析因设计（五）析因设计（六）正交设计（六）正交设计二、配对设计二、配对设计（paired designpaired design）配配对对设设计计指指的的是是受受试试对对象象相相同同或或基基本本齐齐同同的的实实验验设设计计，是是将将受受试试对对象象按按某某些些特特征征或或条条件件配配成成对对子子，然然后后分分别别把把每每对对中中的的两两个个受受试试对对象象随随机机分分配配到到实实验验组组与与对照组对照组( (或不同处理组或不同处理组) )。二、配对设计二、配对设计
24、受受试试对对象象配配对对的的特特征征或或条条件件，主主要要是是指指年年龄龄、性性别别、体体重重、环环境境条条件件等等非非实实验验因因素素，不不要要以以实实验验因素作为配对条件因素作为配对条件。根根据据受受试试对对象象来来源源的的不不同同，分分为为同同源源配配对对 (homogenetic (homogenetic matching)matching)（包包括括前前后后配配对对和和左左右右配配对对）和异源配对和异源配对(hetero-genetic matching)(hetero-genetic matching)两种。两种。同源配对同源配对(homogenetic matching)(hom
25、ogenetic matching)又又称称同同体体配配对对(homobody (homobody matching),matching),即即试试验验和和对对照照在在同同一一受受试试个个体体身身上上进进行行观观察察的的方方法法，分分为为4 4种种类型：类型：(1)(1)同一受试对象处理前、后的数据；同一受试对象处理前、后的数据；(2)(2)同一受试对象两个部位的数据；同一受试对象两个部位的数据；(3)(3)同同一一受受试试对对象象、同同一一样样品品用用两两种种方方法法或或仪仪器器检测结果；检测结果；(4)(4)用用同同一一方方法法或或仪仪器器检检测测同同一一受受试试对对象象不不同同标标本的检
26、测结果。本的检测结果。 异源配对异源配对(heterogenetic matching)(heterogenetic matching)将受试对象按照一定的条件（依专业知识确定），将受试对象按照一定的条件（依专业知识确定），将条件相同的个体配成对子，然后在对子内部按将条件相同的个体配成对子，然后在对子内部按照随机方法分配至实验组，最后对其结果以配对照随机方法分配至实验组，最后对其结果以配对分析的统计方法加以处理。分析的统计方法加以处理。例如：例如：l取同窝别、同性别、体重近似的取同窝别、同性别、体重近似的2 2只动物配对；只动物配对；l将病种、病型、病情及其它影响疗效的主要因将病种、病型、病情
27、及其它影响疗效的主要因素一致的病人配成对子；素一致的病人配成对子；二、配对设计二、配对设计例例3 3 将将样样本本中中2020例例受受试试对对象象按按性性别别相相同同、年年龄龄、工工作作性性质质相相近近者者配配成成对对子子，共共1010对对。用用随随机机排排列列表表将将每每对对中中的的两两个个受受试试对对象象随随机机分分配配到到甲甲、乙乙两两个个处处理组中。理组中。配对设计方法配对设计方法1. 1. 先先将将1010对对受受试试者者编编号号，如如第第一一对对第第1 1受受试试者者编为编为1.11.1，第，第2 2受试者编为受试者编为1.21.2，余仿此。，余仿此。2. 2. 再再随随机机指指定
28、定随随机机排排列列表表第第2 2行行，舍舍去去10101919之之间间的的数数字字，并并规规定定单单数数取取甲甲、乙乙顺顺序序，双双数数取取乙乙、甲顺序。甲顺序。配对设计配对设计分配结果分配结果组别组别受试者编号受试者编号甲甲1.22.13.24.25.16.17.28.19.210.1乙乙1.12.23.14.15.26.27.18.29.110.2二、配对设计优点：优点：提高组间均衡性和统计效率，减少抽样误差；提高组间均衡性和统计效率，减少抽样误差；样本含量较小；样本含量较小；统计分析方法简单。统计分析方法简单。缺点：缺点：设计复杂；设计复杂；配对失败或配对欠佳时，会降低实验效率；配对失败
29、或配对欠佳时，会降低实验效率；观察对象要经过挑选观察对象要经过挑选，易损失样本含量；易损失样本含量；延长实验时间延长实验时间，对子间的条件易发生变化。对子间的条件易发生变化。配对设计配对设计适用条件适用条件: : a. a.保证实验个体与对照个体保证实验个体与对照个体没有相互干扰没有相互干扰。 b. b.自身配对试验适用于自身配对试验适用于短期对比或急性实验短期对比或急性实验。 c.c.对人进行异体配对对人进行异体配对，所控制的条件不可能是所控制的条件不可能是很严格的很严格的。一般只能根据一般只能根据2-32-3个因素配对个因素配对。因此因此, ,每对的配对条件尽限每对的配对条件尽限2-32-
30、3项项，若对比其它因素时若对比其它因素时, ,还需要重新进行配对还需要重新进行配对。配对设计数据分析l效应指标为数值变量效应指标为数值变量 参数检验：配对参数检验：配对t t 检验（差值检验（差值 t t 检验）；检验）； 非参数检验：非参数检验：WilcoxonWilcoxon符号秩和检验；符号秩和检验；l效应指标为分类变量效应指标为分类变量 配对四格表（配对四格表（2 22 2列联表）列联表）2 2 检验。检验。前后配对设计前后配对设计例例1 1 对血小板活化模型大鼠以对血小板活化模型大鼠以ASAASA进行实验性治疗，以进行实验性治疗，以血浆血浆11-DH TXB11-DH TXB2 2（
31、ng/Lng/L）为指标，其结果如下，试进行为指标，其结果如下，试进行统计分析。统计分析。大鼠号大鼠号12345678910给药前给药前250226180356280210276326208176给药后给药后184205182248196204214274200175前后差值前后差值6621-2108846625280l假设检验：假设检验：H H0 0：d d=0=0，H H1 100，=0.05=0.05以前后差值进行基本统计得：以前后差值进行基本统计得：n=10n=10，d=40.5d=40.5，s=39.1s=39.1代入公式代入公式t=d/(s/n)=3.275t=d/(s/n)=3.
32、275=10-1=9=10-1=9查查t t界值表得界值表得P0.05P0.05，故可认为使用，故可认为使用ASAASA后血浆后血浆中中11-DH TXB11-DH TXB2 2明显降低。明显降低。前后配对设计前后配对设计例例2 2 某大夫以肾性高血压大鼠观察血管紧张素某大夫以肾性高血压大鼠观察血管紧张素转化酶抑制剂转化酶抑制剂BBNMBBNM对动脉血压（对动脉血压（kpakpa）的影响，）的影响，结果如下表，试以符号秩和检验判断其疗效如结果如下表，试以符号秩和检验判断其疗效如何。何。鼠鼠号号12345678910降降压压值值2.12.40.61.41.01.5-0.42.01.6-0.8假设
33、检验：假设检验：H0：Md=0，H1：Md0，=0.05（1 1）将差数由小至大排出秩次并标出正负。）将差数由小至大排出秩次并标出正负。降降压压值值0.40.40.60.60.80.81.01.01.41.41.51.51.61.62.02.02.12.12.42.4秩秩次次-1-12 2-3-34 45 56 67 78 89 91010（2 2）计算）计算T T值：在正负秩次中，负数小者只有值：在正负秩次中，负数小者只有2 2个，其个，其秩次之和为秩次之和为4 4，故故T T为为4 4。（3 3）判断：查符号秩和检验用）判断：查符号秩和检验用T T界值表，当界值表，当n=10n=10时，若
34、时，若按双侧检验按双侧检验T0.05=8T0.05=8，故故P0.05P0.05，故可认为，故可认为BBNMBBNM对大鼠对大鼠肾性高血压具有明降降压作用。肾性高血压具有明降降压作用。配对设计与完全随机设计的比较配对设计与完全随机设计的比较l标准误的大小标准误的大小配对设计的标准误配对设计的标准误S Sd d=(s=(s1 12 2+s+s2 22 2)-2rs)-2rs1 1s s2 2/n/n完全随机设计的标准误完全随机设计的标准误S SX1-X2X1-X2=(s=(s1 12 2+s+s2 22 2)/n)/n配对实验标准误的大小取决于相关系数配对实验标准误的大小取决于相关系数r r的性
35、质，的性质，只有当只有当r r为正值时，配对设计实验的为正值时，配对设计实验的S Sd d才有可能才有可能小于完全随机设计实验的小于完全随机设计实验的S SX1-X2X1-X2。例例1 1 现有现有7 7对实验数据（事先为配对设计）对实验数据（事先为配对设计）对子数对子数1 12 23 34 45 56 67 7A A组组4.84.85.25.25.95.94.84.84.54.55.45.46.26.2B B组组3.33.35.05.04.14.14.64.64.44.45.25.25.15.1差数差数1.51.50.20.21.81.80.20.20.10.10.20.21.11.1将将7
36、 7对数据进行相关分析得相关系数对数据进行相关分析得相关系数r=0.382r=0.382，说明配对说明配对基本成功，故按配对基本成功，故按配对t t检验处理得检验处理得t=2.676t=2.676，P0.05P0.05P0.05。例例2 2 现有现有6 6对实验数据（事先为配对设计）对实验数据（事先为配对设计）对子数对子数1 12 23 34 45 56 6A A组组111110109 9111112121010B B组组9 9111110108 88 88 8差数差数2 2-1-1-1-13 34 42 2将将6 6对数据进行相关分析得相关系数对数据进行相关分析得相关系数r=-0.603r=-0.603，表明配表明配对不成功。本例如仍按配对对不成功。本例如仍按配对t t检验，则检验，则t=1.750t=1.750，P0.05P0.05；但若按完全随机处理，成组；但若按完全随机处理，成组t t检验得检验得t=2.240t=2.240，P0.05P0.05，且r为负值，表明配对不成功，此时可按完全随机设计实验进行统计分析。
