實驗設(shè)計 統(tǒng)計學

1 第 十 三 章 醫(yī) 學 科 研 設(shè) 計 y中山大學公共衛(wèi)生學院 醫(yī)學統(tǒng)計與流行病學系 林愛華 2 統(tǒng)計工作有四個基本步驟 : 設(shè)計、搜集資料、整理和分析資料。 統(tǒng)計設(shè)計： 包括對資料收集 、 整理和分析 全過程 總的統(tǒng)計設(shè)想和科學安排 。 可節(jié)省人力 、 物力和時間；可控制實驗誤差；可提高實驗效率 。 科研設(shè)計是實驗觀察過程的依據(jù) ， 是對數(shù)據(jù)處理的前提 ， 也是提高科研成果質(zhì)量的一個重要保證 。 醫(yī)學科研 調(diào)查研究 (survey， observational study) 實驗研究 (experimental study) 3 根據(jù)觀察者是否主動施加干預(yù)而分為實驗與調(diào)查兩類： 實驗 （ Experiment） ：指由研究者 主動 地決定給予部分實驗對象某種處理 ， 給予另部分對象某種對照處理的研究設(shè)計形式 ，這種處理的分配常常是隨機的 。 調(diào)查 (Survey)：指對特定對象群體進行調(diào)查 ， 影響被調(diào)查者的因素是客觀存在的 ，研究者只能 被動 地觀察和如實記錄 。 4 y 第一節(jié) 醫(yī)學科研設(shè)計的基本原則 第二節(jié) 實 驗 設(shè) 計 第三節(jié) 調(diào) 查 設(shè) 計 5 第一節(jié) 醫(yī)學科研設(shè)計基本原則 一、 對照的原則 二、 均衡的原則 三、 隨機的原則 四、 重復的原則 6 一、對照的原則 有比較才有鑒別 。 對照的意義 ： 指設(shè)立對照組以排除非處理因素而顯示出處理的效應(yīng)。 藥物治療 例 : 老年性慢性支氣管炎 氣候 轉(zhuǎn)暖 ,自然緩解 消除和減少實驗誤差 。 處理組： 對照組： 比較結(jié)果： 處理因素 非處理因素 + 處理效應(yīng) + 非處理效應(yīng) 非處理因素 非處理效應(yīng) 處理因素 處理效應(yīng) 7 對照的形式 (一 )空白對照 (二 )實驗對照 (三 )標準對照 (四 )自身對照 (五 ) 相互對照 8 (一 )空白對照： 對照組不加任何處理因素 。 例 ： 實驗組兒童接種疫苗 ， 對照組兒童不接種疫苗 。 特點： 簡單易行，但容易引起心理差異，從而影響實驗效應(yīng)的測定。 9 (二 )實驗對照： 施加基礎(chǔ)實驗條件 （ 非處理因素 ） 。 例 ： 賴氨酸 面包 +非處理因素 賴氨酸 效應(yīng) + 面包效應(yīng) +非處理因素效應(yīng) 面包 +非處理因素 面包效應(yīng) +非處理因素效應(yīng) 賴氨酸 賴氨酸 效應(yīng) 10 (三 )標準對照： 以現(xiàn)有的標準或正常值作對照 。 例 某種新的方法能否代替?zhèn)鹘y(tǒng)方法的研究； 某病患者與正常人同一項生理、生化指標對照等。 注意 ：實驗條件應(yīng)一致 。 標準組應(yīng)能代表當時療法的水平。 11 (四 )自身對照： 在同一受試對象上進行 。 特點： 簡單易行，使用廣泛。但若試驗前后某些環(huán)境或自身因素發(fā)生改變，并且會影響試驗結(jié)果，就難以說明問題。 (五 ) 相互對照 ： 幾個實驗組互相對照 。 例 ：比較幾種藥物治療同一疾病的療效 。 12 二、均衡的原則 指實驗組與對照組的 非處理因素均衡一致 。即對照組除了處理因素外 ， 其它條件應(yīng)與實驗組完全一致和基本一致 ， 即所謂保持實驗條件的 均衡 或 齊同原則 (balance)。 均衡性越好越能顯示出處理因素的作用 ， 消除非處理因素對結(jié)果的影響 。 13 例 ：試用 ADI藥物預(yù)防腸道傳染病的效果觀察設(shè)計 。 方案一： 甲幼兒園 (100人 ) 服 ADI， 腸道傳染病 乙幼兒園 (100人 ) 不服 ADI，腸道傳染病 分析：甲乙幼兒園的非處理因素 （ 食堂衛(wèi)生條件 、 兒童衛(wèi)生習慣 ） 如不相同 ， 則不均衡 。 14 甲幼兒園 （ 100人 ） 服 ADI（ 50人 ） 不服 ADI（ 50人 ） 乙幼兒園（ 100人） 服 ADI（ 50人） 不服 ADI（ 50人） 方案二： 15 非處理因素 在 動物實驗 中 ， 應(yīng)考慮動物的 來源 、 種屬 、 性別 、 原始體重 、 健康狀況 盡量相同或相近 ， 給藥途徑 、 飼養(yǎng)條件 、 麻醉程度 、 消毒情況 、 術(shù)后護理 等也應(yīng)一致 。 在 臨床試驗 中 ， 患者的診斷必須準確可靠 ， 要考慮 年齡 、 性別 、 體質(zhì) 、 病情 等因素的影響 ， 應(yīng)力求均衡或接近 ， 還有 疾病分型 、服藥時間 、 療效標準 等必須一致 。 16 三、隨機的原則 在實驗中 ， 許多混雜因素是沒辦法完全達到均衡的 ， 而且許多因素事先無法預(yù)知會影響實驗結(jié)果 ， 也就未能在設(shè)計時加以控制 。 這些因素在組間的均衡就依賴于隨機化來保障 。 17 隨機化原則 (randomization)： 隨機 “ 隨便 ” , 指每個受試對象以 機會均等 的原則隨機地分配到試驗組和對照組 。 目的 ：使各組非實驗因素的條件均衡一致 ，以消除對實驗結(jié)果的影響 。 18 隨機化方法： 1) 抽簽 ：簡便易行 ， 適用小樣本 。 2) 用隨機數(shù)字表和隨機排列表 。 隨機數(shù)字表常用于抽樣研究及分組隨機化；隨機排列表適用于分組 、 排列等的隨機化 ， 且各組不用調(diào)整 。 3) 用計算器或計算機 。 19 四、重復的原則 重復 (replication)：指各處理組與對照組的例數(shù)要有一定數(shù)量 ， 表現(xiàn)為實驗例數(shù)（ 樣本含量 ） 的大小和重復次數(shù)的多少 ?？煞乐古既恍曰蚯珊系默F(xiàn)象 。 要求 ：必須在保證實驗具有一定的可靠性條件下 ， 確定最少的試驗例數(shù) 。 20 決定樣本含量的四要素： 第一類錯誤的概率 ，即檢驗水準。 檢驗效能 1-。 容許誤差 。 總體變異度 。 21 樣本含量估計 第一類錯誤的概率 ， 即檢驗水準 。 越小 ， 所需樣本含量越多 。 一般取 =0.05， 還應(yīng)明確單雙側(cè) 。 22 檢驗效能 1-。 為第二類錯誤的概率 ， 即 H0為假 ， 但錯誤接受它的概率 （ 假陰性 ） 。 1-表示在特定的 水準下 ， H1為真時檢驗?zāi)苷_發(fā)現(xiàn)的能力 。 1-越大 ， 所需樣本含量越多 。 通常取 =0.1或 0.2， 即 1-=0.9或 0.8， 一般 1-不能低于 0.75。 23 樣本含量估計 容許誤差 ： 相比較的兩個總體間某參數(shù)的差別所允許的限度 ， 如 =1-2， 或 =1-2。 越小 ， 所需樣本含量越多 。 一般用希望發(fā)現(xiàn)或需控制的樣本和總體間或兩個樣本間某統(tǒng)計量的差別所代替 。 的確定： 可作 預(yù)實驗或用專業(yè)上有意義的差值代替 。 24 總體變異度 。 越大 ， 所需樣本含量越多 。 通常根據(jù) 預(yù)實驗 、 查閱文獻和專業(yè)知識 判斷 。 25 第二節(jié) 實驗設(shè)計 一、 實驗設(shè)計的意義 二、 實驗設(shè)計的特點和分類 三、 實驗設(shè)計的基本要素 四、幾種常用的實驗設(shè)計方法 26 一、 實驗設(shè)計的意義 通過良好地計劃對象的選擇 、 處理因素的分配 、 結(jié)果指標的測量和資料分析來保證比較組間對象和實驗條件是均衡的 ， 實驗結(jié)果有較好的可比性 ， 并且較好地控制誤差以能用較小的樣本獲取可靠的結(jié)論 。 27 二、實驗設(shè)計的特點和分類 1. 實驗研究的特點： 研究者可以安排處理因素 (研究者是主動的 )； 受試對象是否接受處理是隨機的； 研究者可控制混雜因素以減少誤差 （ 齊同 ） 。 28 2. 實驗研究的分類： 動物實驗 (animal experiment)： 對象 動物；如致畸試驗 ;食物毒理學試驗 臨床試驗 (clinical trial)： 對象 病人；如化療治療淋巴性白血病 社區(qū)干預(yù)試驗 (community intervention trial) 對象 一般人群；如加氟 、 加碘 29 三、實驗設(shè)計的基本要素 降壓藥 高血壓病人 血壓值 處理因素 受試對象 實驗效應(yīng) 30 處理因素 (study factor， treatment) 處理因素 ：研究者根據(jù)研究目的欲施加或欲觀察的 ， 能作用于受試對象并引起效應(yīng)的因素 。 非處理因素 ：相應(yīng)的也能使受試對象產(chǎn)生效應(yīng)的因素 ， 又稱混雜因素 (confounding factor)。 31 處理因素 (study factor， treatment) 1. 抓住主要因素 ：確定幾個主要的關(guān)鍵性因素 。 既要考慮到主要因素 ， 又要考慮因素的水平 。 2. 找出非處理因素 ， 并加以控制 。 如： “ 性別 ” 、 “ 年齡 ” 。 均衡方法：兩組構(gòu)成一致 。 控制方法：規(guī)定年齡段 。 3. 處理因素要標準化 。 保證處理因素在整個實驗的過程中始終如一 ，保持不變 。 如在實驗過程中實驗藥物的批號 、 劑量應(yīng)當一致 。 32 受試對象 (study subjects) 可分為 動物實驗 與 人體觀察 兩種 。 實驗前必須對受試對象作嚴格規(guī)定 ， 保證其 同質(zhì)性 。 1. 動物的選擇 ：要考慮動物的種類 、 品系 、 以及年齡 、 性別和體重以及營養(yǎng)狀況等 。 2. 人的選擇 ：分病人和健康人 。 病人的選擇應(yīng)當診斷明確 、 依從性好 ， 能真實可靠地反映主觀感覺 。 33 實驗效應(yīng) (experimental effect) 是處理因素作用于受試對象后的反應(yīng)和結(jié)果 ，通過 觀察指標 表達 。 1. 客觀性 ：主觀指標和客觀指標 。 2. 精確性 ： 準確度 (accuracy)：觀察值與真值的接近程度 ， 受系統(tǒng)誤差的影響 。 精密度 (precision)：重復觀察時觀察值與其均值的接近程度 ， 受隨機誤差的影響； 34 實驗效應(yīng) (experimental effect) 準度和精度都好 準度差精度好 準度好精度差 準度和精度都差 35 實驗效應(yīng) (experimental effect) 3. 靈敏性 (sensitivity)： 表示指標檢出 真陽性 的能力 ， 可減少 假陰性 率 。靈敏度較高 ， 就能使處理的效應(yīng)較好地顯示出來 。因此 ， 受試者 、 測量儀器及方法都應(yīng)是靈敏的 。 4. 特異性 (specificity)： 表示指標檢出 真陰性 的能力 ， 特異性較高 ， 不易受混雜因子干擾 ， 減少 假陽性 率 。 36 四、幾種常用實驗設(shè)計方法 完全隨機設(shè)計 配對設(shè)計 配伍組設(shè)計 交叉設(shè)計 盲法設(shè)計 37 方法 ：將受試對象隨機的分配到各個處理組 ， 或從不同的總體中隨機抽樣進行對比觀察 。各組例數(shù)相等時效率較高 。 完 全 隨 機 設(shè) 計 (completely random design) 38 處理組 （ 接受新藥 ） 觀察結(jié)果 實驗對象 隨機化分組 對照組 （ 接受常規(guī)藥 ） 觀察結(jié)果 對照組 （ 安慰劑 ） 實驗對象 隨機化分組 處理組 （ A藥 ） 處理組 （ B藥 ） 處理組 （ C藥 ） 39 隨機化方法： 例 13-4 試將 10頭動物應(yīng)用 隨機排列表 分配到甲 、 乙兩組 。 按動物體重編號 。 從表 13-1隨機排列表 第 3行查隨機數(shù) ， 舍去 1019。 定單號為甲組 ， 雙號為乙組 。 動物編號 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 隨機數(shù)字 1 2 0 3 8 7 4 5 9 6 組 別 甲 乙 乙 甲 乙 甲 乙 甲 甲 乙 40 隨機化方法： 例 13-5 試將 15只動物隨機分配到甲 、 乙 、 丙三組 。 按動物體重編號 。 從表 13-1隨機排列表中隨機指定第 21行 ， 舍去 15 19， 將 0 14數(shù)字依次錄于動物號下 。 0 4者分入甲組 ， 5 9者分入乙組 ， 10 14者分入丙組 。 動物編號 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 隨機數(shù)字 12 13 8 4 7 0 11 1 5 14 3 6 10 9 2 組 別 丙 丙 乙 甲 乙 甲 丙 甲 乙 丙 甲 乙 丙 乙 甲 41 完全隨機設(shè)計 優(yōu)點 ：設(shè)計簡單 ， 統(tǒng)計分析簡單 ， 應(yīng)用廣 。 缺點 ：只能分析一個因素 ， 效率不太高 。混雜因素多 ， 難以控制 ， 靈敏度不及配對試驗 。 42 統(tǒng)計分析方法： 計量資料：兩組 -t檢驗 、 u檢驗 或 秩和檢驗 多組 -方差分析 或 秩和檢驗 計數(shù)資料：兩組 - 2檢驗 、 u檢驗 多組 - 2檢驗 等級資料： - 2檢驗 或 秩和檢驗 43 方法 ：把受試對象按一定條件配成對子 ，再隨機將每對中的受試對象分配到不同組 。 配對因素 -影響實驗效應(yīng)的 主要非處理因素 ， 以提高組間均衡性 。 自身配對 和 異體配對 。 配對設(shè)計 (paired design) 44 A 接受新藥 實驗對象 配成對子 隨機分配對子 B 接受常規(guī)藥 45 例 13-6： 8對受試者 ， 試隨機分入甲 、 乙兩組 。 將受試對象編號 。 隨機排列表 13-1， 第 2行 ， 舍去 8 19。 規(guī)定單數(shù)為甲 、 乙 ， 雙數(shù)為乙 、 甲 。 配對設(shè)計 受試者號 1.1 1.2 2.1 2.2 3.1 3.2 4.1 4.2 5.1 5.2 6.1 6.2 7.1 7.2 8.1 8.2 隨機數(shù)字 7 6 2 5 0 1 4 3 處 理 甲乙 乙甲 乙甲 甲乙 乙甲 甲乙 乙甲 甲乙 46 配對設(shè)計的優(yōu)點 ： 1. 配對設(shè)計可以 降低個體變異 。 在同樣的樣本含量條件下 ， 采用配對檢驗比兩樣本檢驗更容易獲得有統(tǒng)計學意義的結(jié)果 。 2. 由于采用配對設(shè)計 ， 可以作到嚴格控制非處理因素 ， 使實驗組與對比組具有 齊同可比性 。 3. 采用配對設(shè)計方法可以 減少樣本含量 ， 它是臨床科研中常用的一種高效率的實驗設(shè)計 。 配對設(shè)計 47 缺點： 1.在實際工作中 ， 配對條件不能過多 、 過嚴 ，否則 ， 難以按要求將實驗對象配成對子 ， 尤其是在臨床工作中 。 2.自身配對實驗只適用于短期對比或急性實驗 ，不適用于長期觀察分析 。 配對設(shè)計 48 統(tǒng)計分析方法 ： 計量資料： -配對 t檢驗 或 秩和檢驗 計數(shù)資料： -配對 2檢驗 49 又稱隨機區(qū)組設(shè)計 。 相當于配對的擴展 ， 即將幾個受試對象按一定條件 配成區(qū)組 ， 再將每一區(qū)組的受試對象隨機分配到各個處理組中 。 配伍組設(shè)計 (randomized block design) 50 A 接受甲處理 實驗對象 配成區(qū)組 隨機分配區(qū)組 B 接受乙處理 C 接受丙處理 D 接受丁處理 51 優(yōu)點 ： 每個區(qū)組內(nèi)的實驗單位有較好的同質(zhì)性 ， 更易察覺出處理間的差別 。 該設(shè)計均衡性好 、 誤差減低 ，可以提高效率 ， 統(tǒng)計分析也較簡單 。 缺點： 不能分析交互作用 ， 另外如果一個區(qū)組內(nèi)的觀察對象發(fā)生意外時 ， 則只好放棄整個區(qū)組或不得已而采用缺項估計的方法進行統(tǒng)計分析 。 配伍組設(shè)計 52 統(tǒng)計分析方法 -隨機區(qū)組設(shè)計的方差分析 隨機區(qū)組設(shè)計的秩和檢驗 53 在臨床試驗中 ， 研究者或受試者均可給實驗效應(yīng)帶來影響 ， 造成偏倚 （ bias） 。 盲法設(shè)計分 單盲 和 雙盲 法 。 單盲法 是讓受試者不知道自已接受何種處理； 雙盲法 是受試者和實驗者都不知受試者接受何種處理 。 (四 )盲法設(shè)計 （ blindness design） 54 安慰劑 常與雙盲法配合使用 ， 它是清除安慰作用的一種有效方法 。 保密 是盲法的關(guān)鍵 。 55 第三節(jié) 調(diào)查設(shè)計 一、調(diào)查設(shè)計意義及應(yīng)用 二、調(diào)查設(shè)計內(nèi)容 三、調(diào)查方法 56 一、調(diào)查設(shè)計的意義及應(yīng)用 醫(yī)學研究 向分子水平發(fā)展 向群體水平發(fā)展 調(diào)查是根據(jù)預(yù)定目的 ， 采用科學的方法 ， 有組織有計劃地向客觀實際搜集統(tǒng)計資料的工作過程 。 57 臨床：了解疾病的分布 、 危害及有關(guān)因素等 ，以指導治療 、 預(yù)防復發(fā) 。 例如齲齒 、 心血管病 、 泌尿系結(jié)石 、 近視 、 老年性白內(nèi)障 、 嬰幼兒死亡等調(diào)查研究 。 衛(wèi)生：了解人群的健康狀況 ， 研究環(huán)境因素的致病和保護作用 。 常用的調(diào)查： 居民健康調(diào)查；流行病學調(diào)查；病因?qū)W調(diào)查； 臨床遠期療效觀察；衛(wèi)生學調(diào)查等。 58 調(diào)查研究的特點： 觀察因素不受人為干預(yù) ， 是客觀存在的 。 如河南林縣與廣東省中山市食管癌死亡情況比較 。 “ 混雜因素 ” 難以控制 （ 如年齡 、 性別等 ） 。 許多因素是未知的 （ 如咸蛋 、 酸菜等 ） 。 59 二、調(diào)查設(shè)計內(nèi)容 調(diào)查設(shè)計是調(diào)查研究工作的先導和依據(jù) ， 是調(diào)查結(jié)果準確可靠的依據(jù) 。 包括 資料收集 、 整理與分析 全過程的統(tǒng)計設(shè)想和科學安排 。 1. 調(diào)查目的： 了解參數(shù)：例：食管癌的病情及地理分布； 研究變量間的相關(guān)聯(lián)系 、 探索病因 。 2.調(diào)查對象： 劃清調(diào)查總體的同質(zhì)范圍 、 時點 。 3.調(diào)查范圍： 時間范圍 、 空間范圍 、 數(shù)量范圍 。 60 4.觀察單位： 一個人 、 一個家庭 、 一個集體等 。 5. 調(diào)查表 (questionnaire) 根據(jù)調(diào)查指標確定對每個觀察單位的調(diào)查項目 。 分析項目 ：直接用于計算調(diào)查指標 ， 以及分析時排除混雜因素影響所必須的內(nèi)容 。 備查項目 ：為了保證分析項目填寫得完整 、正確 ， 便于核查 、 補填和更正而設(shè)置的 。 61 例： 了解農(nóng)村衛(wèi)生人力情況： 分析項目：鄉(xiāng)鎮(zhèn)醫(yī)生年齡 、 文化程度結(jié)構(gòu) 、年齡 、 文化程度等 。 備查項目：姓名 、 性別 、 出生年月等 。 把調(diào)查項目按提問的邏輯順序列成表格 ， 供調(diào)查時使用 ， 就是調(diào)查表 ， 或稱問卷 。 62 搜集資料的方式：直接觀察法和采訪法 。 直接觀察法： 調(diào)查者直接對調(diào)查對象進行測量 、 觀察 、 檢查或計數(shù)來取得資料 。 采訪法： 是根據(jù)被調(diào)查者的回答來收集資料 。 訪問 開會調(diào)查 信訪 63 三、調(diào)查方法 1. 普查 2. 抽樣調(diào)查 3. 典型調(diào)查 4. 病例對照研究 5. 定群研究 64 1. 普查 (全面調(diào)查， overall survey） 將組成總體的所有觀察單位全部加以調(diào)查 。 沒有抽樣誤差 、 但往往系統(tǒng)誤差較大（ 工作量大 、 問題多 、 工作質(zhì)量難保證 ） 。 65 2. 抽樣調(diào)查 (sampling survey) 從總體中隨機抽取一定數(shù)量的觀察單位組成樣本 ， 然后用樣本指標估計總體特征 。 抽樣研究節(jié)省人力 、 物力和時間 ， 可獲得細致和準確的資料 ， 值得提倡和推廣 。 但調(diào)查設(shè)計 、 實施及資料分析較復雜 。 66 隨機抽樣方法：怎么抽 1. 簡單隨機抽樣 （ simple random sampling） 要求每個觀察單位有同等概率被選入樣本 。先編號 ， 再用隨機數(shù)字表等方式抽樣 。 優(yōu)缺點： 計算簡便 ， 但當總體例數(shù)較多時 ，實施困難