生物醫(yī)學(xué)實驗設(shè)計

實驗設(shè)計（ Designing Experiments ）,內(nèi)容提要,第一節(jié) 實驗設(shè)計的基本要素第二節(jié) 實驗設(shè)計的基本原則第三節(jié) 常用的實驗設(shè)計方案第四節(jié) 誤差和偏倚第五節(jié) 樣本含量的估算第六節(jié) 臨床試驗設(shè)計,設(shè)計 實驗設(shè)計 調(diào)查設(shè)計 專業(yè)設(shè)計 統(tǒng)計設(shè)計 專業(yè)設(shè)計 統(tǒng)計設(shè)計,第一節(jié) 實驗設(shè)計的基本要素,實驗設(shè)計三要素： 受試對象(object)處理因素(treatment)實驗效應(yīng)(experimental effect),1、受試對象 受試對象或稱研究對象是處理因素作用的客體，是根據(jù)研究目的確定的研究總體。 研究目的不同, 醫(yī)學(xué)研究的對象可以是人、動物和植物，也可以是某個器官、細胞和血清等生物材料。,按試驗對象，實驗可以分為三類：動物實驗(animal experiment), 其受試對象為動物；臨床試驗(clinical trial), 其受試對象通常為患者；現(xiàn)場試驗(field trial), 其受試對象通常為正常人群。,受試對象應(yīng)作嚴(yán)格的規(guī)定，以保證其同質(zhì)性(homogeneity)和代表性 同質(zhì)性：動物的種類、品系、年齡、性別、體重、窩別和營養(yǎng)狀況等。人群的性別、年齡、民族、職業(yè)、文化程度和經(jīng)濟狀況、病情和病程等。 代表性：隨機抽樣受試對象應(yīng)滿足兩個基本條件：一是對處理因素敏感；二是反應(yīng)必須穩(wěn)定。 選擇受試對象應(yīng)明確其納入標(biāo)準(zhǔn)(inclusion criteria)和排除標(biāo)準(zhǔn)(exclusion criteria)。,2、處理因素處理因素或受試因素：根據(jù)研究目確定的欲施加或欲觀察的、并能引起受試對象直接或間接效應(yīng)的因素，簡稱處理或因素(factor)。是根據(jù)研究目的確定的主要因素，處理因素在整個實驗中應(yīng)始終要保持不變 非處理因素：與處理因素可能同時存在的能使受試對象產(chǎn)生效應(yīng)的非研究因素。非處理因素干擾效應(yīng)與所研究因素間關(guān)系的觀察與分析，常常又稱混雜因素(confounder)。,處理因素種類：生物性、化學(xué)性、物理性處理因素水平：每個因素在數(shù)量上或強度上可有不同。 單因素單水平：研究某藥物對原發(fā)性高血壓患者的降壓作用； 單因素多水平：研究某藥不同劑量的降血糖作用； 多因素單水平：比較不同藥物或不同療法對某病的治療效果； 多因素多水平：臨床上探索某腫瘤的聯(lián)合化療方案等。,3、實驗效應(yīng) 實驗效應(yīng)是處理因素作用于受試對象的反應(yīng)(response)和結(jié)局(outcome)，它通過觀察指標(biāo)(統(tǒng)計學(xué)常將指標(biāo)稱為變量)來體現(xiàn)。 觀察指標(biāo)應(yīng)具有客觀性、精確性、特異性和靈敏性。,客觀性：客觀指標(biāo)則是借助測量儀器和檢驗等手段來反映的觀察結(jié)果，客觀指標(biāo)具有較好的真實性和可靠性。 主觀指標(biāo)是受試對象的主觀感覺、記憶、陳述或?qū)嶒炚叩闹饔^判斷結(jié)果；而。主觀指標(biāo)具有隨意性和偶然性。精確性：包括準(zhǔn)確度(accuracy)和精密度(precision)兩層含義。 準(zhǔn)確度指觀察值與真值的接近程度，主要受系統(tǒng)誤差的影響； 精密度指重復(fù)觀察時，觀察值與其均數(shù)的接近程度，其差值屬于隨機誤差。特異性和靈敏性：某指標(biāo)的特異度(specificity)反映其鑒別真陰性的能力，靈敏度（sensitivity）則反映其檢出真陽性的能力。特異度高的指標(biāo)不易受混雜因素的干擾；靈敏度高的指標(biāo)能將處理因素的效應(yīng)更好地顯示出來。,4)指標(biāo)的盲法觀察： 為消除或最大限度地減少主觀偏性，在設(shè)計時常采用盲法(blind method)。 單盲法(single blind method)：受試對象不知道自己分在哪一組； 雙盲法(double blind method)：受試對象和實驗執(zhí)行者均不知道受試對象分在哪一組 三盲法(triple blind method)：受試對象、實驗執(zhí)行者和統(tǒng)計分析人員三者均不知道受試對象分在哪一組,第二節(jié) 實驗設(shè)計的基本原則,實驗設(shè)計的基本原則對照(control)隨機化(randomization)重復(fù)(replication),1、對照原則目的： 顯露處理因素的效應(yīng)； 控制混雜因素和偏倚； 判斷不良反應(yīng)。對照的形式：(1)安慰劑對照(placebo control)(2)空白對照(blank control) (3)實驗對照(experimental control) (4)自身對照(self control) (5)標(biāo)準(zhǔn)對照(standard control),2、隨機化原則 隨機化是使每個受試對象都有同等的機會被抽取或分到不同的實驗組和對照組。隨機化形式 (1)抽樣的隨機 (2)分組的隨機 (3)實驗順序的隨機,完全隨機化(1)編號 將n個受試對象編號，動物可按體重大小，患者可按就診順序。(2)取隨機數(shù) 可從隨機數(shù)字表或計算器或計算機獲得。每個受試對象獲得的隨機數(shù)可是一位數(shù)，也可是兩位數(shù)或三位數(shù)，一般要求與n的位數(shù)相同。(3)確定組別 根據(jù)受試對象獲得的隨機數(shù)決定受試對象在哪一組。分兩組可按隨機數(shù)的奇偶；分k組可按隨機數(shù)除以k后的余數(shù)進行分組。例1 試將同性別、體重相近的30只動物分到A、B、C三組。 先將動物按體重編號，再從本書后面所附隨機數(shù)字表中任一行如第16行最左開始連續(xù)取30個兩位數(shù)字。最后將這30個兩位數(shù)字分別除以3，余數(shù)0、1、2分別對應(yīng)于A、B、C三組,分層隨機化分層隨機化步驟：(1)編號排序 將每層的受試對象編號排序，如體重從輕到重，時間由前至后等。(2)取隨機數(shù) 從隨機數(shù)字表或計算器或計算機獲得。每個受試對象可取兩位數(shù)。 (3)確定組別 根據(jù)每層受試對象獲得的隨機數(shù)的大小順序決定受試對象在哪一組。對每個處理也可規(guī)定順序，如處理A, B, C, 分別對應(yīng)于序號1, 2, 3, 。,3、重復(fù)原則 重復(fù)是指在相同實驗條件下進行多次研究或多次觀察。重復(fù)的情形： (1)整個實驗的重復(fù)（2）用多個受試對象進行重復(fù)有足夠的樣本含量(sample size)，（3）同一受試對象的重復(fù)觀察 重復(fù)最主要的作用是估計實驗誤差。,第三節(jié) 常用的實驗設(shè)計方案,完全隨機設(shè)計配對設(shè)計隨機區(qū)組設(shè)計交叉設(shè)計析因設(shè)計,完全隨機設(shè)計 1、設(shè)計模式：,交叉設(shè)計設(shè)計模式： 陽性 陽性 甲組（方案A） 洗 方案B對象 陰性 脫 陰性 陽性 期 陽性 乙組（方案B） 方案A 陰性 陰性,隨機區(qū)組設(shè)計 例3 如何按隨機區(qū)組設(shè)計，分配5個區(qū)組的15只小白鼠接受甲、乙、丙三種抗癌藥物？ 方法為先將小白鼠的體重從輕到重編號，體重相近的3只小白鼠配成一個區(qū)組，見表4-6。在隨機數(shù)字表（附表15）中任選一行一列開始的2位數(shù)作為1個隨機數(shù)，如從第8行第3列開始紀(jì)錄，見表4-6；在每個區(qū)組內(nèi)將隨機數(shù)按大小排序；各區(qū)組中內(nèi)序號為1 的接受甲藥、序號為2的接受乙藥、序號為3的接受丙藥，,川芎嗪對新生大鼠缺氧缺血性腦損傷的保護作用,實例：,通過對各實驗組動物腦組織MDA、SOD、NO生化指標(biāo)的比較，進一步闡明氧自由基及NO損傷在新生兒HIE的發(fā)病機制中的重要作用及川芎嗪抗新生兒HIE的作用機制。,江西醫(yī)學(xué)院實驗動物部提供7日齡SD新生大鼠，雌雄各半。數(shù)量共40只,研究目標(biāo),研究對象,研究目標(biāo)和研究對象,對照及分組情況,按隨機區(qū)組設(shè)計如下：假手術(shù)組、HI組、川芎嗪組和川芎嗪組共四組，每窩4只鼠為一區(qū)組，共10窩，每窩隨機分配至各處理組。,為對照組。只切開皮膚游離左頸總動脈，不進行缺氧處理。于缺氧前30分鐘腹腔注射等量生理鹽水。,假手術(shù)組,HI組,結(jié)扎左頸總動脈，并缺氧2小時。于缺氧前30分鐘腹腔注射等量生理鹽水。,川芎嗪組：,結(jié)扎左頸總動脈，并缺氧2小時。于缺氧前30分鐘腹腔注射川芎嗪注射液100mg/Kg。,川芎嗪組,于HI后即刻腹腔注射川芎嗪注射液100mg/Kg。,采用隨機區(qū)組實驗設(shè)計方差分析及X2檢驗,統(tǒng)計分析方法,第四節(jié) 誤差和偏倚,誤 差(error),誤差的概念及分類,偏 倚（bias）,四、誤差和偏倚,偏倚,偏倚的概念及種類,在實驗過程中由于某些非實驗因素的干擾所形成的系統(tǒng)誤差。,選擇性偏倚,選擇性偏倚的概念及其防止措施,由于納入觀察對象的方法不正確而產(chǎn)生的偏倚。,測量性偏倚的概念,導(dǎo)致測量性偏倚常見因素,測量性偏倚的防止措施,混雜性偏倚的概念及其防止與控制措施,混雜性偏倚,在總結(jié)分析階段，由于某些非實驗因素與實驗因素同時并存的作用影響到觀察結(jié)果，造成混雜性偏倚,第五節(jié) 樣本含量的估計,影響樣本含量估計的因素 1. 第一類錯誤概率的大小。越小所需樣本含量愈多， 2. 檢驗功效(1)或第二類錯誤概率的大小 檢驗功效愈大，第二類錯誤的概率愈小，所需樣本含量愈多。 3. 容許誤差 容許誤差愈大，所需樣本含量愈小。 4. 總體標(biāo)準(zhǔn)差或總體概率 反映資料的變異度。愈大，所需樣本含量自然愈多?？傮w概率越近于0.50，則所需樣本含量愈多。,樣本含量估計的方法 樣本含量的估計方法： 查表法：查有關(guān)樣本含量表， 計算法：根據(jù)假設(shè)檢驗的公式反推。,樣本均數(shù)與總體均數(shù)比較（或配對比較）,例：用某藥治療矽肺患者，估計可增加尿的排出量，標(biāo)準(zhǔn)差89.0mmol/L,要求以=0.05，=0.10的概率，能夠辨別出尿的排出量平均增加35.6mmol/L，需觀察多少例矽肺患者？,兩樣本均數(shù)比較 A、兩樣本含量相等,例：A、B兩種處理的動物冠狀靜脈血流量實驗，A處理平均增加血流量1.8ml/min， B處理平均增加血流量2.4ml /min，已知兩處理標(biāo)準(zhǔn)差相等，均為1.0ml/min,=0.05=0.10，要得出兩處理有差別的結(jié)論，需觀察多少實驗動物？,例、用新藥降低高血脂患者的膽固醇，研究者規(guī)定試驗組與對照組（安慰劑）相比，平均降低20/L以上，才有實際推廣應(yīng)用價值。以參考文獻中得知膽固醇的標(biāo)準(zhǔn)差為30/L。規(guī)定單例=0.05，=0.10，要求估計樣本含量。,若有條件做到兩組例數(shù)相等，則：,例：研究碳酸鋁對白細胞減少癥的治療效果，已知患者白細胞數(shù)治療后比治療前平均增加了109/L，標(biāo)準(zhǔn)差為1.2109/L。規(guī)定=0.05（雙側(cè)檢驗），=0.10，求樣本含量。,例：擬用單純隨機抽樣方法，了解某地區(qū)成年男子血色素的平均水平，要求誤差不超過2g/L，=0.05（雙側(cè)），從參考文獻得知成年男子血色素的標(biāo)準(zhǔn)差約為25g/L，問需調(diào)查多少人？,例：擬用A、B、C三種方案治療血紅蛋白小于100g/L的嬰幼兒貧血患者，比較這三種方案的療效。經(jīng)預(yù)試驗測得各方案治療后血紅蛋白增加的均數(shù)分別為：18.5g/L,13.2g/L,10.4g/L; 標(biāo)準(zhǔn)差分別為11.8g/L,13.4g/L,9.39g/L;規(guī)定=0.05（雙側(cè)），=0.10，問各組需觀察多少例？,例、擬在某小學(xué)觀察三種矯治近視眼方法的效果,初得A法有效率為37.87%,B法有效率為18.75%,C法為27.78%。問每種方法各需觀察多少例？,第六節(jié) 臨床試驗設(shè)計,規(guī)范性文件 中華人民共和國藥品管理法新藥審批辦法藥品臨床試驗管理規(guī)范(Good Clinical Practice, GCP)化學(xué)藥品和生物制品臨床試驗的生物統(tǒng)計學(xué)指導(dǎo)原則,臨床試驗的分期 I期臨床試驗為新藥研究的起始期，往往在數(shù)名志愿者身上進行，必要時可包括病人。初步的臨床藥理學(xué)及人體安全性評價 期臨床試驗為新藥臨床評價最為重要的一期。盲法的隨機對照試驗(RCT)，對新藥的有效性和安全性作出初步評價，推薦臨床給藥劑量。 期臨床試驗為擴大的多中心臨床試驗，進一步評價藥物的有效性、安全性。 期臨床試驗為藥品上市后的監(jiān)測應(yīng)用 治療效果評價（藥物、放射、基因等） 預(yù)防措施效果評價 病因?qū)W因果效應(yīng)研究,特殊問題： 1、研究對象的選擇： 臨床試驗的研究對象必須是臨床已確定診斷的“典型”病人。最好能從病例總體中隨機抽取研究對象，以確保樣本的代表性。否則其結(jié)果不能推理到病人總體。病人的一些特征如病情的嚴(yán)重程度、性別、年齡等均會對療效產(chǎn)生影響。2、診斷標(biāo)準(zhǔn) 有2層意思：一是病例的診斷標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)為確診的、統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)；二是入選試驗的病人對象的標(biāo)準(zhǔn)，可限制一些條件，但必須嚴(yán)格執(zhí)行。標(biāo)準(zhǔn)不清楚，容易產(chǎn)生錯誤分類誤差，因而影響療效的評價。3、樣本大小的估計 在進行臨床試驗時要注意有適宜的樣本數(shù)，樣本過少，回減低研究效率，得不出研究結(jié)果；樣本過大則導(dǎo)致不必要的浪費，更會影響研究的質(zhì)量。治療方案的有效率、顯著性水平和把握度對樣本的大小有影響。 估計的方法有公式法和查表法。,4、設(shè)立對照組 目的：消除疾病自愈傾向的影響；確定治療的副作用和不良反應(yīng)。 方法：隨機同期對照，在同一病人群體中設(shè)立對照組和試驗組 自身對照，病人治療前后自身的比較 配對設(shè)計對照，按一定的特征、條件（如同年齡組、同性別、病情嚴(yán)重程度相同等）將病人配成對子，對子之一給予處理措施，另一不給該措施。5、隨機分組 其目的是確保兩組在某些特征上的可比性。隨機的方法可用簡單隨機法（隨機數(shù)字表）和區(qū)組隨機法。6、盲法的應(yīng)用 即讓某些人不知道研究的分組情況及每組所采取的措施的方法。目的是避免試驗者和受試者的偏倚和主觀偏見。盲法的具體方式有： 單盲：即研究者和研究對象有一方不知道研究的分組情況。 雙盲：即研究者和研究對象均不知道每個研究對象的分組情況。 三盲：即研究者和研究對象以及資料分析人員均不知道研究的分組情況。 公開試驗：即研究者研究對象均知道研究的分組情況。有些研究一定要用公開試驗，如手術(shù)療效的考核。