第14章實(shí)驗(yàn)研究的設(shè)計(jì)與分析

01:281第十四章實(shí)驗(yàn)研究的設(shè)計(jì)與分析01:282第十四章實(shí)驗(yàn)研究的設(shè)計(jì)與分析第一節(jié)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中的對照設(shè)置第二節(jié)常用的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案與統(tǒng)計(jì)分析第三節(jié)樣本含量的估算第四節(jié)結(jié)果的中英文報(bào)告第五節(jié)案例討論01:283目的要求掌握確定樣本含量時(shí)應(yīng)具備的條件。熟悉常用的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案及其統(tǒng)計(jì)分析方法。了解統(tǒng)計(jì)內(nèi)容的報(bào)告與中英文表達(dá)。01:284第一節(jié)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中的對照設(shè)置常用的對照形式：（1）空白對照（blankcontrol）（2）實(shí)驗(yàn)對照（experimentalcontrol）（3）標(biāo)準(zhǔn)對照（standardcontrol）（4）自身對照（selfcontrol）（5）相互對照（mutualcontrol）01:285空白對照受試對象實(shí)驗(yàn)因素其他實(shí)驗(yàn)效應(yīng)其他效應(yīng)受試對象其他其他效應(yīng)試驗(yàn)組對照組01:286常用于評價(jià)測量方法的準(zhǔn)確度，評價(jià)實(shí)驗(yàn)是否處于正常狀態(tài)等。例如，在某種可疑致癌物的動物誘癌實(shí)驗(yàn)中，可設(shè)立空白對照組，以排除動物本身可能自發(fā)腫瘤的影響。01:287實(shí)驗(yàn)對照受試對象A+B其他效應(yīng)其他效應(yīng)受試對象B其他效應(yīng)其他效應(yīng)試驗(yàn)組對照組01:288當(dāng)處理因素的施加需伴隨其它因素，而這些因素可能影響處理因素的效應(yīng)時(shí)，應(yīng)設(shè)立實(shí)驗(yàn)對照，即對照組不施加處理因素，但施加某種與處理因素有關(guān)的實(shí)驗(yàn)因素。例如，為說明甲狀腺激素對大鼠牙槽骨骨密度的影響作用，實(shí)驗(yàn)組大鼠喂飼含有優(yōu)甲樂的飼料，對照組喂飼普通飼料。如研究膳食中強(qiáng)化鐵預(yù)防缺鐵性貧血的試驗(yàn)中，試驗(yàn)組兒童食用強(qiáng)化鐵醬油烹飪的飯菜，對照組為普通醬油。01:289標(biāo)準(zhǔn)對照用現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)方法或常規(guī)方法作為對照。①某種新的藥物能否代替?zhèn)鹘y(tǒng)藥物的研究；②某病患者與正常人的某生理、生化指標(biāo)是否相同。01:2810自身對照對照與實(shí)驗(yàn)在同一受試對象身上進(jìn)行，如身體對稱部位或?qū)嶒?yàn)前后兩階段分別接受不同的實(shí)驗(yàn)因素。01:2811例如，研究不同進(jìn)針法的靜脈穿刺對血管組織的損傷，對大白兔一側(cè)耳緣靜脈采用針尖斜面向上進(jìn)針法，另一側(cè)耳朵的對稱部位采用針尖斜面向左進(jìn)針法；如，研究某減肥茶的效果，以服用前的體重作為對照。01:2812相互對照兩個(gè)或幾個(gè)不同劑量或狀態(tài)的實(shí)驗(yàn)組相互對照，而不必另設(shè)對照組。例如,欲比較不同大豆含量的飼料對缺鐵性貧血大鼠的恢復(fù)作用，選取已做成貧血模型的大鼠36只，隨機(jī)等分為3組，每組12只，分別用含5%大豆、10%大豆和15%大豆三種不同的飼料喂養(yǎng)。01:2813第二節(jié)常用的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案與統(tǒng)計(jì)分析

考察單個(gè)因素的效應(yīng)?可選用完全隨機(jī)設(shè)計(jì)配對設(shè)計(jì)隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)交叉設(shè)計(jì)

考察多個(gè)因素的效應(yīng)?可選用析因設(shè)計(jì)01:2814一、完全隨機(jī)設(shè)計(jì)(completelyrandomizeddesign)又稱

簡單隨機(jī)分組設(shè)計(jì)(simplerandomizeddesign)

將同質(zhì)的受試對象隨機(jī)地分配到各處理組，再觀察其實(shí)驗(yàn)效應(yīng)平衡設(shè)計(jì)(balanceddesign)：各組樣本含量相等非平衡設(shè)計(jì)(unbalanceddesign)：各組樣本含量不等

納入標(biāo)準(zhǔn)排除標(biāo)準(zhǔn)研究總體隨機(jī)化受試對象實(shí)驗(yàn)組對照組01:2815完全隨機(jī)設(shè)計(jì)優(yōu)點(diǎn)：設(shè)計(jì)簡單，易于實(shí)施，出現(xiàn)缺失數(shù)據(jù)（missingvalue）時(shí)仍可進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。缺點(diǎn)：小樣本時(shí)，可能均衡性較差，誤差較大。與隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)相比，效率較低。假設(shè)檢驗(yàn)的方法：t

檢驗(yàn)、方差分析、秩和檢驗(yàn)。01:2816二、配對設(shè)計(jì)(paireddesign)

將受試對象按一定條件配成對子，再將每對中的兩個(gè)受試對象隨機(jī)分配到不同處理組。配對依據(jù)：可能影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果的主要混雜因素動物實(shí)驗(yàn)：窩別、性別、體重等作為配對條件臨床試驗(yàn)：病情輕重、性別、年齡、職業(yè)等作為配對條件。01:2817在醫(yī)學(xué)科研中，配對設(shè)計(jì)主要有以下情形：1）將兩個(gè)條件相同或相近的受試對象配成對子(含同一個(gè)體的兩對稱器官或組織)，分別接受兩種不同的處理。例欲研究維生素E缺乏時(shí)對肝中維生素A含量的影響，將同種屬的大白鼠按性別相同，月齡、體重相近配成對子，分別隨機(jī)喂以正常飼料和維生素E缺乏飼料。01:2818在醫(yī)學(xué)科研中，配對設(shè)計(jì)主要有以下情形：1）將兩個(gè)條件相同或相近的受試對象配成對子(含同一個(gè)體的兩對稱器官或組織)，分別接受兩種不同的處理。2）同一受試對象(人或標(biāo)本)分別接受兩種不同的處理。01:2819在醫(yī)學(xué)科研中，配對設(shè)計(jì)主要有以下情形：1）將兩個(gè)條件相同或相近的受試對象配成對子(含同一個(gè)體的兩對稱器官或組織)，分別接受兩種不同的處理。2）同一受試對象(人或標(biāo)本)分別接受兩種不同的處理。3）前后配對?----同一受試對象接受一種處理的前后。01:2820配對設(shè)計(jì)優(yōu)點(diǎn)：可增強(qiáng)處理組間的均衡性、實(shí)驗(yàn)效率較高；缺點(diǎn)：配對失敗或配對欠佳時(shí)，反而降低效率假設(shè)檢驗(yàn)方法：t檢驗(yàn)、Wilcoxon符號秩和檢驗(yàn)01:2821三、隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)(randomizedblockdesign)

又稱隨機(jī)單位組設(shè)計(jì)、隨機(jī)配伍組設(shè)計(jì)。

b個(gè)區(qū)組：很不相同每個(gè)區(qū)組內(nèi)：k個(gè)受試對象

k個(gè)處理：有待比較將受試對象按性質(zhì)(如動物的性別、體重，病人的病情、性別、年齡等非實(shí)驗(yàn)因素)相同或相近者組成b個(gè)區(qū)組(或稱單位組、配伍組);每個(gè)區(qū)組中的k個(gè)受試對象分別隨機(jī)分配到k個(gè)處理組中去。01:2823優(yōu)點(diǎn):區(qū)組內(nèi)有較好的同質(zhì)性;容易察覺處理間的差別缺點(diǎn):要求區(qū)組內(nèi)受試對象數(shù)與處理數(shù)相等假設(shè)檢驗(yàn)方法：隨機(jī)區(qū)組的方差分析、Friedman秩和檢驗(yàn)隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)01:2824四、交叉設(shè)計(jì)（cross-overdesign）：每個(gè)受試者隨機(jī)地在兩個(gè)或多個(gè)不同試驗(yàn)階段分別接受指定的處理（試驗(yàn)藥或?qū)φ账帲┨幚鞡處理A處理A處理B準(zhǔn)備階段第一階段洗脫期第二階段01:282501:2826優(yōu)點(diǎn)：一是節(jié)約樣本含量；二是能夠控制個(gè)體差異和時(shí)間對處理因素的影響，故效率較高；01:2827缺點(diǎn)：一是每個(gè)處理時(shí)間不能太長，因在同一受試對象上作了多種處理，處理和清洗階段過長會導(dǎo)致整個(gè)試驗(yàn)周期過長，受試對象中斷試驗(yàn)；二是當(dāng)受試對象的狀態(tài)發(fā)生根本變化時(shí)，如死亡、治愈等，后一階段的處理將無法進(jìn)行；三是受試對象一旦在某一階段退出試驗(yàn)，就會造成該階段及其以后的數(shù)據(jù)缺失，增加統(tǒng)計(jì)分析的困難。01:2828注意：

1)

清除階段(washoutperiod)旨在消除剩余效應(yīng)(carry-overeffects)

該階段的長短取決于藥物在血清中的衰減程度，一般要求大于5個(gè)藥物半衰期；2)盲法，以提高受試對象的依從性，避免偏倚；3)不宜用于具有自愈傾向或病程較短的疾病研究假設(shè)檢驗(yàn)方法：方差分析等設(shè)某研究試圖通過交叉設(shè)計(jì)評價(jià)A藥和B藥的療效，其試驗(yàn)框圖如下。順序1服用B藥療效觀察洗脫階段服用B藥療效觀察順序2服用A藥療效觀察服用A藥療效觀察順序效應(yīng)處理效應(yīng)階段效應(yīng)交叉設(shè)計(jì)通常要考慮三種效應(yīng)：順序效應(yīng)處理效應(yīng)階段效應(yīng)01:283301:2834五、析因設(shè)計(jì)(factorialdesign)

又稱完全交叉分組設(shè)計(jì)將兩個(gè)或多個(gè)實(shí)驗(yàn)因素的各水平進(jìn)行組合;

對各種可能的組合都進(jìn)行實(shí)驗(yàn).01:283501:2836記號等水平析因設(shè)計(jì)mk

：k個(gè)因素，每因素m個(gè)水平的析因設(shè)計(jì)。如三因素兩水平,記為23析因設(shè)計(jì)不等水平析因設(shè)計(jì)35：一個(gè)因素有3個(gè)水平，另一個(gè)因素有5個(gè)水平優(yōu)點(diǎn)：1）全面高效性以最小的實(shí)驗(yàn)次數(shù)探討各因素的主效應(yīng)，同時(shí)可獲得因素間的交互效應(yīng)；

2）通過比較各種實(shí)驗(yàn)組合，還能尋求最佳組合缺點(diǎn):工作量較大；統(tǒng)計(jì)分析復(fù)雜假設(shè)檢驗(yàn)方法：方差分析等01:283801:2839六、重復(fù)測量設(shè)計(jì)(repeatedmeasurementdesign)

按實(shí)驗(yàn)分組因素將受試對象分成若干個(gè)組，每一組受試對象接受一種特定的處理。當(dāng)受試對象接受某種處理后，在幾個(gè)不同的時(shí)間點(diǎn)上從同一個(gè)受試對象（樣品）身上重復(fù)獲得指標(biāo)的觀測值，這種安排實(shí)驗(yàn)的方法稱為重復(fù)測量設(shè)計(jì)。2023/2/2040優(yōu)點(diǎn)：每一個(gè)體作為自身的對照，克服了個(gè)體間的變異。分析時(shí)可更好地集中于處理效應(yīng)。節(jié)省樣本量。缺點(diǎn)：滯留效應(yīng)：前面的實(shí)驗(yàn)效應(yīng)有可能滯留到下一次潛隱效應(yīng)：前面的實(shí)驗(yàn)效應(yīng)有可能激活原本不活躍的效應(yīng)學(xué)習(xí)效應(yīng)：由于逐步熟悉實(shí)驗(yàn)，有可能受試對象的反應(yīng)得到了提高01:2841假設(shè)檢驗(yàn)方法：方差分析等時(shí)間效應(yīng)處理效應(yīng)交互效應(yīng)01:2845第三節(jié)樣本含量的估算樣本含量(samplesize)又稱樣本大小

意義：科研設(shè)計(jì)需要“重復(fù)”樣本含量過小:所得結(jié)果未必真實(shí)、檢驗(yàn)的功效低樣本含量過大:實(shí)際工作困難；浪費(fèi)人力、物力和時(shí)間；引入更多的混雜因素，影響數(shù)據(jù)的質(zhì)量保證研究結(jié)論具有一定可靠性的前提下，估算最少需要多少受試對象。一、實(shí)驗(yàn)研究樣本含量估算的四要素1.第一類錯(cuò)誤概率的大小

也稱檢驗(yàn)水準(zhǔn)小，所需樣本含量多；相同，雙側(cè)檢驗(yàn)比單側(cè)檢驗(yàn)所需樣本含量更多。一般要求=0.05。

1.第一類錯(cuò)誤概率的大小

2.第二類錯(cuò)誤概率的大小或檢驗(yàn)功效(1)

檢驗(yàn)功效愈大（第二類錯(cuò)誤的概率愈?。铇颖竞慷?。一般要求檢驗(yàn)功效在0.80及以上。一、實(shí)驗(yàn)研究樣本含量估算的四要素

1.第一類錯(cuò)誤概率的大小

2.第二類錯(cuò)誤概率的大小

3.欲比較的兩總體參數(shù)的差值

大，所需樣本含量小。

的數(shù)值由問題的性質(zhì)決定一、實(shí)驗(yàn)研究樣本含量估算的四要素

1.第一類錯(cuò)誤概率的大小

2.第二類錯(cuò)誤概率的大小

3.容許誤差4.有關(guān)總體變異性的信息，如總體標(biāo)準(zhǔn)差或總體概率

反映資料的變異度，大，所需樣本含量越多總體概率越近于0.50，所需樣本含量越多

或的數(shù)值由預(yù)試驗(yàn)或?qū)I(yè)知識決定一、實(shí)驗(yàn)研究樣本含量估算的四要素二、樣本含量估計(jì)的方法查表法：方便，但受到列表的限制計(jì)算法：根據(jù)檢驗(yàn)功效的公式反推過來求樣本含量(1)單樣本均數(shù)檢驗(yàn)或均數(shù)的配對檢驗(yàn)例為了解高溫作業(yè)工人的心率是否高于一般人群。某研究者隨機(jī)抽取了10名高溫作業(yè)工人做預(yù)試，測得其標(biāo)準(zhǔn)差S=6.2次/分。若高溫作業(yè)工人的心率高于一般人群3.0次/分才有專業(yè)意義，問α=0.05，=0.10時(shí)，需要多大樣本含量？

=6.2次/分，δ=3.0次/分，α=0.05，=0.10，均取單側(cè)，查表得Zα=Z0.05=1.645，Zβ=Z0.10=1.282，故需37位高溫作業(yè)工人，才有90%的概率發(fā)現(xiàn)高溫作業(yè)工人與一般人群3.0次/分的脈搏差異。

(2)兩樣本均數(shù)檢驗(yàn)Q1和Q2為樣本比例(samplefraction)

Q1=n1/NQ2=n2/NN=n1+n2因而n1=Q1Nn2=Q2NQ1+Q2=1

若n1=n2，則Q1=Q2=0.5。例某人欲比較黃芪與生血散對粒細(xì)胞減少癥的療效。據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)，黃芪可平均增加粒細(xì)胞1109個(gè)/L，生血散可平均增加粒細(xì)胞2109個(gè)/L。若σ=1.8109個(gè)/L，α取單側(cè)0.05，檢驗(yàn)功效為0.80，每組例數(shù)相等，問每組需要多少病例？若黃芪組樣本含量占整個(gè)樣本含量的60%，則每組又各需多少病例？

σ=1.8(109個(gè)/L)

δ=2–1=1(109個(gè)/L)Zα=Z0.05=1.645，Zβ=Z0.20=0.842若兩組樣本含量相等，則Q1=Q2=0.5，可算得

n1=n2=N/2＝80/2=40即每組均需病例40例。若Q1=0.60，Q2=1–Q1=0.40則黃芪組n1=Q1N=0.684=50生血散組n2=Q2N=0.484=34

（3）

單樣本頻率檢驗(yàn)（大樣本）

π1為預(yù)期實(shí)驗(yàn)結(jié)果的總體概率例用常規(guī)方法治療過敏性鼻炎的有效率為85%，現(xiàn)試驗(yàn)?zāi)骋恍滤?，預(yù)計(jì)有效率為95%。若α=0.05，β=0.10，問需多少病例？本例，π0=0.85，π=0.95，δ=0.10。Z0.05=1.645，Z0.10=1.282，代入式(8-3)得4.配對二分類資料的卡方檢驗(yàn)例

擬比較甲、乙兩種檢測方法對腹瀉嬰幼兒乳糖不耐受的檢出情況，初步估計(jì)甲法的陽性檢出率為48%，乙法的陽性檢出率為30%，兩種方法一致的陽性檢出率為25%。若取雙側(cè)α=0.05，β=0.10，請估算樣本含量。5.兩樣本頻率檢驗(yàn)例

研究針灸配合心理療法治療失眠的效果。預(yù)試驗(yàn)中，針灸和心理聯(lián)合治療的有效率為94%，單純應(yīng)用針灸治療的有效率為85%。若取雙側(cè)=0.05，β=0.10，針灸和心理聯(lián)合治療組的樣本含量占60%，針灸治療組占40%，問兩組各需多少例失眠患者？已知α=0.05，β=0.10，得Zα/2=1.96，Zβ=1.282。本例π1=0.94，π2=0.85，Q1=0.60，Q2=0.40，，代入式（14-5）得第四節(jié)統(tǒng)計(jì)結(jié)果的中英文報(bào)告（1）前言研究背景、研究目的或研究假設(shè)。（2）研究內(nèi)容和方法受試對象的選取、種屬、品系、來源等，研究環(huán)境，研究地點(diǎn)；樣本含量及確定樣本含量的方法，研究對象的隨機(jī)分組方法（如有脫落應(yīng)進(jìn)行說明），研究的設(shè)計(jì)方案；干預(yù)措施及其實(shí)施，包括何時(shí)實(shí)施及如何實(shí)施兩個(gè)方面；測量指標(biāo)及其測量方法，結(jié)果的判斷標(biāo)準(zhǔn)；統(tǒng)計(jì)分析方法、選擇單側(cè)或雙側(cè)檢驗(yàn)和檢驗(yàn)水準(zhǔn)以及應(yīng)用的統(tǒng)計(jì)學(xué)軟件等。01:2865第四節(jié)統(tǒng)計(jì)結(jié)果的中英文報(bào)告（3）研究結(jié)果各組進(jìn)入統(tǒng)計(jì)分析的例數(shù)及組間是否具有可比性等；主要、次要指標(biāo)的統(tǒng)計(jì)描述，包括各指標(biāo)對應(yīng)的樣本含量、集中位置和離散程度等，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換方法（例如進(jìn)行對數(shù)轉(zhuǎn)換，使數(shù)據(jù)服從正態(tài)分布或近似正態(tài)分布）；統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)結(jié)果，包括確切的P值及是否拒絕零假設(shè)等。（4）討論實(shí)驗(yàn)研究的局限、可能存在的偏倚，實(shí)驗(yàn)結(jié)果的外推性，實(shí)驗(yàn)的優(yōu)缺點(diǎn)等。01:2866第五節(jié)案例辨析案例1某項(xiàng)研究欲觀察E1A基因?qū)β闶笠浦材[瘤生長的抑制和化學(xué)治療的增敏作用，研究者進(jìn)行了兩個(gè)實(shí)驗(yàn)。一是裸鼠致瘤實(shí)驗(yàn)，在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中，將4周齡裸鼠隨意分為3組，每組5只，分別接受不同的處理。二是模擬E1A基因治療臨床應(yīng)用的裸鼠實(shí)驗(yàn)，研究者取20只4周齡裸鼠，接種癌細(xì)胞系后，隨意地分為4組。已知裸鼠的性別、體重等非實(shí)驗(yàn)因素對實(shí)驗(yàn)結(jié)果可造成不同的影響。請辨析該實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)存在哪些差錯(cuò)？應(yīng)當(dāng)如何改進(jìn)？01:2867辨析

以隨意代替隨機(jī)沒有考慮到裸鼠的“性別、體重、健康狀況”等重要非實(shí)驗(yàn)因素對不同處理組中的實(shí)驗(yàn)結(jié)果所造成的非平衡影響。正確做法

隨機(jī)化均衡（或匹配）01:2868案例2為了觀察甲紫注入小型豬正常腮腺后組織病理變化情況，有人選擇6個(gè)月齡、體重2025kg的中國實(shí)驗(yàn)用小型豬15只，雄性9只，雌性6只。每只動物任選一側(cè)腮腺為實(shí)驗(yàn)組，另一側(cè)作為正常對照組，以消除個(gè)體差異及增齡對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響。按注入甲紫后1周、2周、1個(gè)月、3個(gè)月及6個(gè)月將15只動物隨機(jī)分為5組，每組3只（每個(gè)組的3只動物分別隨機(jī)注入0.6、1.0及4.0ml1%甲紫溶液），然后觀察組織病理變化情況。請辨析該實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)存在哪些差錯(cuò)？應(yīng)當(dāng)如何改進(jìn)？01:2869辨析

兩個(gè)實(shí)驗(yàn)因素：“甲紫作用時(shí)間”（1周、2周、1個(gè)月、3個(gè)月及6個(gè)月）、“甲紫劑量”（0.6ml、1.0ml、4.0ml）樣本量15對照的設(shè)置：動物的口腔內(nèi)，一邊用藥、一邊不用藥正確做法

估計(jì)樣本含量設(shè)立異體對照01:2870案例3為了比較甲磺酸托烷司瓊和鹽酸托烷司瓊控制由順鉑、多柔比星化療所致胃腸道反應(yīng)的療效和不良反應(yīng)，現(xiàn)選取40例接受含順鉑和(或)多柔比星化療的腫瘤患者進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。從充分利用每個(gè)受試者、盡可能排除非實(shí)驗(yàn)因素（如病情、年齡、性別等）的干擾方面考慮，在課題組會議上，人們分別提出了下面幾種實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)類型，你認(rèn)為采用哪種設(shè)計(jì)較好？01:2871成組設(shè)計(jì)：將40例腫瘤患者隨機(jī)地均分成2組，一組給甲磺酸托烷司瓊，另一組給鹽酸托烷司瓊。配對設(shè)計(jì)：可將40例腫瘤患者按病情、性別、年齡等各方面都相同或接近的每兩個(gè)患者配成一對，用隨機(jī)的方法決定其中一個(gè)患者接受甲磺酸托烷司瓊，另一個(gè)患者接受鹽酸托烷司瓊。自身