实验设计(基本原则).ppt

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1、卫生统计学卫生统计学（第五版）（第五版）卫生统计学与数学学教研室卫生统计学与数学学教研室第二节第二节 实验设计的基本原则实验设计的基本原则 一、对照原则一、对照原则二、随机化原则二、随机化原则三、重复原则三、重复原则 对照组设置的要求对照组设置的要求 对照的作用对照的作用 对照的形式对照的形式 重复的作用重复的作用 重复的次数重复的次数 随机化的作用随机化的作用 随机的含义随机的含义 分层随机、完全随机化分层随机、完全随机化实验设计的主要作用就是减小误差，提高效率。实验设计的主要作用就是减小误差，提高效率。确定接受处理因素的实验组时，应同时设立对确定接受处理因素的实验组时，应同时设立对照组，照

2、组，有比较才有鉴别，比较的基础就是对照，对有比较才有鉴别，比较的基础就是对照，对照设立正确与否，关系到科研结论的正确性及成果照设立正确与否，关系到科研结论的正确性及成果价值。设立对照有着极其重要的意义：价值。设立对照有着极其重要的意义：1 1、可排除或控制自然变化和非处理因素对观察、可排除或控制自然变化和非处理因素对观察结果的影响。结果的影响。2 2、可消除或减少实验误差。、可消除或减少实验误差。一、对一、对 照照 原原 则则均衡性(1)(1)对对等等 除除处处理理因因素素外外，对对照照组组具具备备与与实实验验组组对对等的非处理因素。等的非处理因素。(2)(2)同同步步 对对照照组组与与实实验

3、验组组设设立立之之后后，在在整整个个研研究究进程中始终处于同一空间和同一时间。进程中始终处于同一空间和同一时间。(3)(3)专专设设 任任何何一一个个对对照照组组都都是是为为相相应应的的实实验验组组专专门门设设立立的的。不不得得借借用用文文献献上上的的记记载载或或以以往往的的结结果或其它研究的资料作为本研究之对照。果或其它研究的资料作为本研究之对照。（一）对照组设置的要求（一）对照组设置的要求 （二）对照的作用（二）对照的作用 区分处理因素与非处理因素的效应，是区分处理因素与非处理因素的效应，是比较比较的必要基础的必要基础 药物治疗药物治疗例例:老年性慢性支气管炎老年性慢性支气管炎气候气候转暖

4、转暖,自然缓解自然缓解消除和减少实验误差消除和减少实验误差 处理组：处理组：对照组：对照组：比较结果比较结果处理因素处理因素非处理因素非处理因素+处理效应处理效应+非处理效应非处理效应处理因素处理因素处理效应处理效应非处理因素非处理因素(无无)非处理效应非处理效应(无无)n排除排除“非处理因素非处理因素”的影响，从而衬托出的影响，从而衬托出“处理因素处理因素”的作用。的作用。对照的必要性（鉴别）疾病的自愈倾向感冒、哮喘等100名感冒患者体温、鼻塞流涕情况1周后观察：体温下降和鼻塞流涕缓解状况服用感冒药A结论：该药能有效治疗感冒，改善鼻塞流涕状况例例1 11W后体温下降，症状缓解1W后体温下降，

5、症状缓解200名感冒患者服用药物服用药物A A不不服用药物服用药物A A 随 机服药组100人不服药组100人治疗前症状差别无统计学意义治疗1天时体温差别有统计学意义1天后体温降至正常3天后体温降至正常分析分析：设计设计：结论结论：？（三）对照的形式 包包括括：空空白白对对照照、安安慰慰剂剂对对照照、实实验验对对照照、自自身身对照、标准对照、相互对照对照、标准对照、相互对照 、历史对照。、历史对照。安慰剂是指一种无药理作用的假药，其与治疗药安慰剂是指一种无药理作用的假药，其与治疗药物在外观、剂型等方面不能被受试对象所识别。物在外观、剂型等方面不能被受试对象所识别。安慰剂对照则是指将安慰剂施加于

6、对照组的受试安慰剂对照则是指将安慰剂施加于对照组的受试对象。安慰剂对照是一种特殊的空白对照，其目对象。安慰剂对照是一种特殊的空白对照，其目的主要是排除病人或受试对象的心理偏见。的主要是排除病人或受试对象的心理偏见。人作为受试对象具有复杂的心理过程，极易受到人作为受试对象具有复杂的心理过程，极易受到各种外界因素的影响和干扰。各种外界因素的影响和干扰。1.1.安慰剂对照安慰剂对照 空白对照是指对照组不施加任何处理因素。常用空白对照是指对照组不施加任何处理因素。常用于防疫系统疫苗接种效果的观察与研究。于防疫系统疫苗接种效果的观察与研究。例如：实验组儿童接种疫苗，对照组儿童不接种疫苗。例如：实验组儿童

7、接种疫苗，对照组儿童不接种疫苗。特点：简单易行，但容易引起心理差异，从而影响实特点：简单易行，但容易引起心理差异，从而影响实验效应的测定。验效应的测定。2.2.空白对照空白对照注意：在动物实验研究中，可以使用空白对照，而注意：在动物实验研究中，可以使用空白对照，而在针对人体的临床试验研究中，一般不能使用空白在针对人体的临床试验研究中，一般不能使用空白对照。对照组可以使用常规疗法以保证病人的生命对照。对照组可以使用常规疗法以保证病人的生命安全，而对危重病人则更要注意不能使用空白对安全，而对危重病人则更要注意不能使用空白对照。照。实实验验对对照照是是指指对对照照组组虽虽未未施施加加处处理理因因素素

8、，但但却却施施加加了了某某种种与与处处理理因因素素有有关关的的实实验验因因素素。这这是是一一种种比比较较特殊的非处理因素。特殊的非处理因素。含含赖氨酸赖氨酸面包面包+非处理因素非处理因素赖氨酸赖氨酸效应效应+面包效应面包效应+非处理因素效应非处理因素效应 面包面包+非处理因素非处理因素 面包效应面包效应+非处理因素效应非处理因素效应赖氨酸赖氨酸 赖氨酸赖氨酸效应效应 非处理因素非处理因素 +非处理因素效应非处理因素效应3.3.实验对照实验对照 自自身身对对照照是是指指对对照照和和实实验验在在同同一一个个受受试试对对象象身身上上进进行行，只只是是在在进进行行对对照照组组和和实实验验组组的的观观察

9、察时时，在在时时间间上有前后顺序的不同。上有前后顺序的不同。特点：特点：简单易行，使用广泛。但若试验前后某些环境简单易行，使用广泛。但若试验前后某些环境或自身因素发生改变，并且会影响试验结果，就难或自身因素发生改变，并且会影响试验结果，就难以说明问题。以说明问题。4.4.自身对照自身对照 用用公公认认的的有有效效药药物物、现现有有的的标标准准方方法法或或常常规规方方法法作对照。作对照。例例某种新的方法能否代替传统方法的研究；某种新的方法能否代替传统方法的研究；某病患者与正常人的某生理、生化指标是否相同。某病患者与正常人的某生理、生化指标是否相同。实验室应用较多实验室应用较多 5.5.标准对照标

10、准对照 相相互互对对照照是是指指不不专专门门设设置置对对照照组组，而而以以各各实实验验组组之之间间互互为为对对照照，比比较较各各处处理理因因素素试试验验效效应应的的相相对对大小及作用。大小及作用。例如：比较例如：比较几种药物几种药物治疗同一疾病的疗效治疗同一疾病的疗效.相互对照相互对照 7.7.历史对照历史对照 历历史史对对照照是是指指以以过过去去或或以以往往的的研研究究结结果果作作为为对对照照。主主要要用用于于对对难难治治或或无无法法治治愈愈的的疾疾病病的的研研究究，如晚期恶性肿瘤，狂犬病等疾病。如晚期恶性肿瘤，狂犬病等疾病。由于这些疾病难以治愈或无法治愈，这种累积由于这些疾病难以治愈或无法

11、治愈，这种累积下来的治疗结果就成为历史对照。例如，狂犬病一下来的治疗结果就成为历史对照。例如，狂犬病一但发病，其治愈率几乎为零，这是一个历史的治疗但发病，其治愈率几乎为零，这是一个历史的治疗结果。历史对照一般不宜使用，应用时应特别注意结果。历史对照一般不宜使用，应用时应特别注意资料的各种背景条件因素及其可比性。资料的各种背景条件因素及其可比性。二、随二、随 机机 化化 原原 则则 （一）随机化原则（一）随机化原则随机化（随机化（randomizationrandomization）是指总体中的每一个个是指总体中的每一个个体都有体都有均等的机会均等的机会被抽取或被分配到实验组及对被抽取或被分配到

12、实验组及对照组中去。随机化原则的核心是照组中去。随机化原则的核心是机会均等机会均等。使用。使用随机化方法可以消除在抽样及分组过程中，由于随机化方法可以消除在抽样及分组过程中，由于研究人员对受试对象主观意愿的选择而造成试验研究人员对受试对象主观意愿的选择而造成试验效应的误差。效应的误差。目的目的:是使各组非实验因素的条件均衡一致，以消除 对实验结果的影响。(1)抽样随机每一个符合条件的实验对象参加实验的机会相同，即总体中每个个体有相同的机会被抽到样本中来；代表性代表性(2)分组随机每个实验对象分配到不同处理组的机会相同；均衡性均衡性(3)实验顺序随机每个实验对象接受处理先后的机会相同。平衡顺序或

13、季节的影响平衡顺序或季节的影响客观性客观性:随机：随机：randomrandom机会均等，机会均等，客观性客观性随意：随意：aswillaswill随主观意愿，随主观意愿，主观性主观性随机化分组，不仅能控制已知的混杂因素随机化分组，不仅能控制已知的混杂因素(非研非研究因素究因素)，而且还能控制未知的混杂因素。，而且还能控制未知的混杂因素。随机随机“随意随意”随随机机化化方方法法：抽抽抽抽签签签签法法法法、随随随随机机机机数数数数字字字字表表表表(附附附附表表表表15151515）、计计计计算算算算器或计算机随机化分组等。器或计算机随机化分组等。器或计算机随机化分组等。器或计算机随机化分组等。（

14、二）随机化的方法（二）随机化的方法随随机机化化原原则则：随随随随机机机机“随随随随意意意意”,”,指指指指每每每每个个个个受受受受试试试试对对对对象象象象以以以以机机机机会均等会均等会均等会均等的原则随机地分配到试验组和对照组。的原则随机地分配到试验组和对照组。的原则随机地分配到试验组和对照组。的原则随机地分配到试验组和对照组。完全随机化完全随机化分层随机化（配对随机化和区组随机化）分层随机化（配对随机化和区组随机化）随机抽样随机抽样;随机分组随机分组;随机分配处理的顺序。随机分配处理的顺序。随机化应符合下列原则：医生和病人不能事先知道或决定病人将被分配到哪一组接受治疗。医生和病人都不能从上一

15、个病人已经进入的组别推测出下一个病人将分配到哪一组。根据日期、病房等分组不是真正的随机化分组方法。1.1.完全随机化完全随机化完全随机化就是直接对受试对象进行随机化分组，但分组后各组受试对象的例数不一定相同。具体步骤如下：具体步骤如下：（1）编 号：将n个受试对象编号,动物可按体重大小，患者 可按就诊顺序。（2）取随机数：可从随机数字表、计算器和计算机获得。每 个受试对象获得的随机数可是一位数，也可 以是两位数或三位数，一般要求与n的的位数 相同。（3）确定组别：根据受试对象获得的随机数决定受试对象在 哪一组。分两组可按随机数的奇偶，分k组可 按随机数除以k后的余数进行分组。完全随机化分组设计

16、预选对象受试对象对照组纳入标准实验组随机化随机化完全随机分组设计简便易行，是目前最常用的实验设完全随机分组设计简便易行，是目前最常用的实验设计方案，该设计的试验结果统计分析也较简单，即使每组计方案，该设计的试验结果统计分析也较简单，即使每组例数不相同，也可以进行统计分析，例数不相同，也可以进行统计分析，缺点是，直接将实验单位分组增加了处理组内的误差，缺点是，直接将实验单位分组增加了处理组内的误差，特别是当样本较小时，各种非实验因素在各处理组中的分特别是当样本较小时，各种非实验因素在各处理组中的分布不易达到平衡，使试验结果的统计分析的检验把握度较布不易达到平衡，使试验结果的统计分析的检验把握度较

17、小，降低了研究结论的可靠性。小，降低了研究结论的可靠性。随机数字表分组随机数字表分组例例例例3 3 试将试将试将试将1010头动物应用随机数字表分配到甲、乙两组。头动物应用随机数字表分配到甲、乙两组。头动物应用随机数字表分配到甲、乙两组。头动物应用随机数字表分配到甲、乙两组。按动物体重编号按动物体重编号从附表从附表15的第的第21行，第行，第21列往上查列往上查10个随机数个随机数规定双号为甲组，单号为乙组规定双号为甲组，单号为乙组 调调整整：再再接接着着查查一一个个“6”以以内内的的随随机机数数，以以决决定定甲甲组组中中哪哪一一号号拨拨到到乙乙组组。本本例例查查得得随随机机数数为为4，将将甲

18、甲组组第第4个（个（5号）调到乙组。号）调到乙组。抄取随机数字，从任一数字开始向任一方向抄取随机数字，从任一数字开始向任一方向方法：欲分为几组，就除以几，根据余数分组：方法：欲分为几组，就除以几，根据余数分组：随机数字表分组随机数字表分组计算计算(器器)机随机化机随机化分组分组2.分层随机化根根据据已已知知对对研研究究结结果果有有影影响响的的因因素素，事事先先设设立立若若干干个个层层次次，然后在各层内进行随机化分组。然后在各层内进行随机化分组。目目的的：减减少少这这些些因因素素在在各各研研究究组组中中分分布布的的不不平平衡衡,从从而而识识别出治疗的真实作用。别出治疗的真实作用。配对随机化配对随

19、机化和和区组随机化区组随机化可看成分层随机化的实际应用。可看成分层随机化的实际应用。（1）编 号：将每层的受试对象编号排序,可按体重大小，时间由前至后等。（2）取随机数：可从随机数字表、计算器和计算机获得。每 个受试对象获得的随机数可取两位数。（3）确定组别：根据受试对象获得的随机数的大小顺序决定 受试对象在哪一组。对每个处理也可以规定 顺序，如处理A，B，C，分别对应于序 号1,2,3。随机分组 随机分组 随机分组 随机分组 预 选 对 象 研 究 对 象 纳入 标准 区组1 区组2 区组 3 区组 n?按配伍 条件 4个水平 4 个水平 4个水平 4个水平 区组随机设计区组随机设计区组随机

20、分组每每个个区区组组内内的的观观察察单单位位按按某某一一特特征征排排序序，如如体体重重从从轻轻到到重重。同同时时每每个个处处理理也也规规定定顺顺序序，如如处处理理A A对对应应序序号号为为1 1，处处理理B B对对应应序序号号为为2 2，处处理理C C对对应应序序号号为为3 3，以以此此类类推推。选选择择随随机机排排列列的的方方法法是是：每每个个试试验验对对象象取取2 2位位随随机机数数，用用随随机机数数从从小小到到大大排排列列后后的的序序号号决决定定处处理理的的排排列列顺顺序序，如如某某区区组组内内每每个个试试验验对对象象的的随随机机数数为为8383，1515，0505，2727，排排列列后

21、后顺顺序序为为4 4，2 2，1 1，3 3，则则该该区区组组四四个个处处理理的的随随机机排排列列顺顺序序是是DBACDBAC。随机区组设计特点当时，随机区组设计就是通常所说的配对当时，随机区组设计就是通常所说的配对设计，实验单位的自然属性通常是动物的窝别（同窝设计，实验单位的自然属性通常是动物的窝别（同窝的只动物），受试者个体（属于同一个体的个实的只动物），受试者个体（属于同一个体的个实验单位）等，若按某个非实验因素形成区组，则要选验单位）等，若按某个非实验因素形成区组，则要选择对试验结果影响较大的因素，如果实验日期对实验择对试验结果影响较大的因素，如果实验日期对实验结果有影响，则应按实验日

22、期形成区组。根据不同的结果有影响，则应按实验日期形成区组。根据不同的研究目的，区组的选择方式亦可不同，但都应遵循研究目的，区组的选择方式亦可不同，但都应遵循“区组间差别越大越好，区组内差别越小越好区组间差别越大越好，区组内差别越小越好”的原则。的原则。与完全随机分组设计相比，随机区组设计在随机与完全随机分组设计相比，随机区组设计在随机分组以前，先将实验单位按其自然属性或某一非处理分组以前，先将实验单位按其自然属性或某一非处理因素配成区组，保证了该因素在各处理组间的分布均因素配成区组，保证了该因素在各处理组间的分布均衡，随机区组设计多用于实验室研究或动物试验。衡，随机区组设计多用于实验室研究或动

23、物试验。例6 试将10对受试者随机分入甲、乙两处理组。先先将将受受试试者者编编号号，如如第第一一对对第第1 1受受试试者者编编为为1.11.1，第第2 2受受试试者者编编为为1.21.2，余余仿仿此此。随随机机指指定定附附表表1515随随机机排排列表，并规定单数取甲乙顺序，双数取乙甲顺序。列表，并规定单数取甲乙顺序，双数取乙甲顺序。按配对设计的要求将按配对设计的要求将1010对病人进行分组对病人进行分组例7 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

24、别列为区组因素和处理组因素。（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14号，58号，912号，1316号，1720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。每行只随机取数14，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。按随机区组设计要求对按随机区组设计要求对2020只动物进行分组只动物进行分组20只动物的分组结果只动物的分组结果 三、重复的原则三、重复的原则 重复表现为二个重复表现为二个含义含义：其一是样本含

25、量的大小；其：其一是样本含量的大小；其二是同一试验重复次数的多少，两者的本质是相同二是同一试验重复次数的多少，两者的本质是相同的。按照抽样误差变化的规律，在抽样中，随着样的。按照抽样误差变化的规律，在抽样中，随着样本含量的增大或重复次数的增加，抽样误差将逐渐本含量的增大或重复次数的增加，抽样误差将逐渐减小。减小。重复重复是指在相同的实验条件下进行实验过程的重复。是指在相同的实验条件下进行实验过程的重复。重复程度重复程度表现为样本含量的大小和重复次数的多少。表现为样本含量的大小和重复次数的多少。意义：意义：消除非处理因素影响的另一重要手段消除非处理因素影响的另一重要手段验证实验结果的真实可靠性验

26、证实验结果的真实可靠性重复包括三种情形：(1)(1)整个实验的重复整个实验的重复。确保实验的重现性，以提高实。确保实验的重现性，以提高实验的可靠性；验的可靠性；(2)(2)用多个实验单位进行重复用多个实验单位进行重复(样本含量样本含量)。避免把个。避免把个别情况误认为普遍情况，把偶然性或巧合的现象别情况误认为普遍情况，把偶然性或巧合的现象当作必然的规律，通过一定数量的重复，使结论当作必然的规律，通过一定数量的重复，使结论可信；可信；(3)(3)同一实验单位的重复观察同一实验单位的重复观察。保证观察结果的精度。保证观察结果的精度。实实 验验 设设 计计一、对照原则一、对照原则二、随机化原则二、随

27、机化原则三、重复原则三、重复原则 对照组设置的要求对照组设置的要求 对照的作用对照的作用 对照的形式对照的形式 重复的作用重复的作用 重复的次数重复的次数 随机化的作用随机化的作用 随机的含义随机的含义 分层随机、完全随机化分层随机、完全随机化第二节第二节 实验设计的基本原则实验设计的基本原则研研究究对对象象疗效评定疗效评定无效随机对照研究设计（随机对照研究设计（RCT)有效对照组对照组试验组试验组无效有效随随机机分分组组试验组治疗方案试验组治疗方案对照组治疗方案对照组治疗方案治疗结果治疗结果治疗结果治疗结果结果结果变量变量测定测定随机分组 随机分组 随机分组 随机分组 预 选 对 象 研 究 对 象 纳入 标准 区组1 区组2 区组 3 区组 n?按配伍 条件 4个水平 4 个水平 4个水平 4个水平 区组随机设计区组随机设计