4.實驗設(shè)計的基本要素與誤差控制

第四章實驗設(shè)計的基本要素及誤差控制前言醫(yī)學(xué)研究中，無論是臨床試驗還是動物實驗，都需要根據(jù)研究目的，制定研究方案，進行科學(xué)合理的設(shè)計。周密的研究設(shè)計，既能夠節(jié)省人力、物力、財力和時間，又能夠使研究因素的效應(yīng)得以充分體現(xiàn)，獲得準(zhǔn)確、客觀的結(jié)果，得出科學(xué)的結(jié)論。

專業(yè)設(shè)計：選題、查閱文獻、假說、預(yù)試驗。統(tǒng)計設(shè)計：研究對象（分組、設(shè)置對照、樣本含量）、處理因素、觀察指標(biāo)、數(shù)據(jù)的質(zhì)量控制與管理、統(tǒng)計分析方法。設(shè)計包括：實驗設(shè)計的目的

控制和降低系統(tǒng)誤差對實驗結(jié)果的影響，縮小實驗隨機誤差，以利于進行統(tǒng)計推斷，更確切地回答研究者事先提出的假設(shè)。“Tocallinthestatisticianaftertheexperimentisdonemaybenomorethanaskinghimtoperformapostmortemexamination:hemaybeabletosaywhattheexperimentdiedof”-----FisherRA調(diào)查研究設(shè)計（無人為干預(yù)）觀察性研究實驗研究設(shè)計（有人為干預(yù)）研究設(shè)計的基本類型動物實驗動物臨床試驗病人社區(qū)干預(yù)試驗人群兩種研究類型的區(qū)別與聯(lián)系表1兩種研究設(shè)計類型比較實驗設(shè)計（experimentdesign）是指研究人員對實驗因素做合理的、有效的安排，最大限度地較少實驗誤差，使實驗研究達到高效、快速和經(jīng)濟的目的。第一節(jié)實驗設(shè)計的基本要素實驗的基本要素

實驗的基本要素包括處理因素、受試對象和實驗效應(yīng)三部分。1.處理因素是指研究者根據(jù)研究目的、能作用于研究對象并引起直接或間接效應(yīng)的因素。（1）處理因素的數(shù)目和水平處理因素可以是一個或多個，即單因素或多因素。同一因素可根據(jù)不同強度分為幾個水平。舉例：同時觀察藥物的兩種給藥方式（口服和肌注）和3種不同劑量的效果，這里給藥方式和劑量為兩個處理因素，前者為兩水平，后者為三水平。在實驗性研究中，除了實驗因素對實驗結(jié)果產(chǎn)生影響外，還要一些非實驗因素也會對研究結(jié)果產(chǎn)生影響，這些非實驗因素也稱為混雜因素。例如：研究不同劑量的γ射線照射下，小鼠外周血白細(xì)胞和血小板數(shù)的變化情況。在該實驗中，不同劑量的γ射線為實驗因素，并把γ射線在實驗中的具體取值（2、4、6、8Gy等）稱為γ射線的不同水平。在該研究中，小鼠的體重、窩別等不同，有可能會對結(jié)果產(chǎn)生較大的影響，故應(yīng)對接受不同劑量照射的各組小鼠在體重、窩別等方面作有計劃的安排，以便在進行統(tǒng)計分析時將其作用排除。這里，小鼠的體重、窩別等并非欲研究的因素，它們在該實驗中對結(jié)果疊加了混雜作用，故稱其為非實驗因素或混雜因素。2.受試對象是研究者施加處理的對象。可以是人或動物，也可以是其他的材料等。實驗對象要合乎實驗?zāi)康模?，病人必須無合并癥（同質(zhì)性），動物必須純種、健康等。如果同質(zhì)性不好，研究的結(jié)論就受到懷疑。

2.受試對象所選實驗動物對處理因素要敏感，如研究嘔吐現(xiàn)象，一般用貓作為實驗對象，因為貓對嘔吐反應(yīng)最敏感，且其嘔吐機制等方面與人類最接近；實驗動物應(yīng)變異小、穩(wěn)定，最好用同胎動物，要有普遍意義或接近人類的反應(yīng)。3.實驗效應(yīng)實驗效應(yīng)是受試對象接受實驗因素后所出現(xiàn)的實驗結(jié)果，通常由各項指標(biāo)來反映。所選指標(biāo)的好壞直接關(guān)系到研究的成敗，如果指標(biāo)選擇不當(dāng)或測定指標(biāo)的方法不當(dāng)，未能準(zhǔn)確地反映實驗因素的作用，那么獲得的研究結(jié)果就缺乏科學(xué)性。效應(yīng)指標(biāo)的選擇具體有以下幾點要求：1.客觀性一般實驗指標(biāo)都屬于觀察指標(biāo)的范疇，而觀察指標(biāo)按性質(zhì)分類，可分為客觀指標(biāo)和主觀指標(biāo)。例如：某種降血脂藥物治療高脂血癥的患者，醫(yī)生可能會關(guān)注三酰甘油、總膽固醇等指標(biāo)在用藥前后的變化，它們是定量的觀測指標(biāo)，屬于客觀指標(biāo)的范疇。例如：某種降血脂藥物治療高脂血癥的患者，醫(yī)生可能會關(guān)注三酰甘油、總膽固醇等指標(biāo)在用藥前后的變化，它們是定量的觀測指標(biāo)，屬于客觀指標(biāo)的范疇。評價治療某種精神疾病藥物的療效，很多時候是以患者服藥前后的主觀感受（如焦慮、緊張的程度等）作為觀測指標(biāo)，屬于主觀指標(biāo)的范疇。主觀指標(biāo)是由被觀察者回答或者觀察者定性判斷來描述觀察結(jié)果，這些指標(biāo)易受觀察者和被觀察者的心理影響，含有主觀上的認(rèn)識，往往帶有隨意性和偶然性，有時難以保證指標(biāo)的真實與穩(wěn)定，甚至可能出現(xiàn)誤判。所以醫(yī)學(xué)研究中應(yīng)盡量選用客觀的、定量的指標(biāo)來反映實驗效應(yīng)。2.準(zhǔn)確性選用的指標(biāo)盡量精確，精確性包括準(zhǔn)確度和精密度兩方面。準(zhǔn)確度：觀察值與真實值的接近程度。精密度：重復(fù)觀察時，觀察值與其平均數(shù)的接近程度。準(zhǔn)確度精密度都好準(zhǔn)確度不好精密度好準(zhǔn)確度精密度都不好3.靈敏度和特異度實驗效應(yīng)指標(biāo)應(yīng)當(dāng)同時兼顧其靈敏度和特異度，盡量使靈敏性和特異性都高。第2節(jié)實驗誤差和偏倚的控制假定某年某地所有13歲女學(xué)生身高服從總體均數(shù)μ=155.4cm，總體標(biāo)準(zhǔn)差σ=5.3cm的正態(tài)分布N(155.4，5.32）。隨機抽取30人為一個樣本（n=30），并計算樣本的均數(shù)和標(biāo)準(zhǔn)差，共抽取100次，可以得到100份樣本，每份樣本可以計算相應(yīng)的均數(shù)和標(biāo)準(zhǔn)差。1.實驗誤差誤差就是實測值與真實值之差。（1）抽樣誤差由于樣本本身存在差異而造成的一種誤差。（2）系統(tǒng)誤差是指在一定實驗條件下，由于某種原因使得觀測值出現(xiàn)偏差，這種偏差有一定傾向性，例如，表現(xiàn)為恒定偏大或偏小，或周期性變化。系統(tǒng)誤差的大小和方向，在同一實驗條件下是基本恒定的，當(dāng)實驗條件改變時，它可按照一定的規(guī)律發(fā)生變化。（3）隨機誤差又稱偶然誤差，它是由于一系列有關(guān)實驗因素的微小隨機波動引起的方向不定又可相互抵償?shù)恼`差，是在排除了系統(tǒng)誤差后仍然存在的誤差。無法控制的變因，會使得測量值產(chǎn)生隨機分布的誤差。它服從統(tǒng)計學(xué)上所謂的“正態(tài)分布”或稱“高斯分布”，它是不可消除的，在這個意義上，測量對象的真值是永遠不可知的，只能通過多次測量獲得的均值盡量逼近。觀察次數(shù)系統(tǒng)誤差隨機測量誤差動脈內(nèi)血壓值血壓計測量值80舒張壓(mmHg)90系統(tǒng)誤差與隨機誤差之間的關(guān)系誤差的控制（1）隨機化實驗的抽樣與分組必須隨機化。（2）均衡化實驗與對照的非處理因素均衡一致。（3）重復(fù)實驗如兩個平行的測定管得出的數(shù)據(jù)誤差超過5%時，則應(yīng)重新測定一次，直至誤差在5%內(nèi)為止。二、偏倚及其控制偏倚是由某些非研究因素干擾所形成的歪曲了處理因素真實效應(yīng)的偏差。它實際上是一種系統(tǒng)誤差。1.選擇性偏倚選擇性偏倚是由于納入觀察對象的方法不正確產(chǎn)生的偏倚。二、偏倚及其控制實驗擬定的納入和排除觀察對象的標(biāo)準(zhǔn)不明確或不正確都可能產(chǎn)生選擇性偏倚。防止選擇性偏倚的方法：擬定明確的、可操作性強的研究對象選擇標(biāo)準(zhǔn)；正確設(shè)立對照，貫徹隨機化原則；結(jié)合研究對象的特征分層研究，如病情分輕、中、重三級。2.測量性偏倚測量性偏倚常見的情況：對照組的對象接受了處理因素的沾染，造成與實驗結(jié)果差值的縮?。粚嶒灲M除接受處理因素外，還接受其他有效措施或藥物，擴大了實驗組結(jié)果與對照組的差值；防止測量性偏倚的方法：貫徹盲法原則，采取研究對象不知道自己接受什么處理因素（單盲），甚至直接實施的研究者也不知道研究對象接受何種處理因素（雙盲）。3.混雜偏倚混雜因素亦稱混雜因子或外來因素，是指與研究因素和研究疾病均有關(guān)，若在比較的人群組中分布不勻，可以歪曲（掩蓋或夸大）因素與疾病之間真正聯(lián)系的因素。①必須是所研究疾病的獨立危險因子；②必須與研究因素（暴露因素）有關(guān)；③一定不是研究因素與研究疾病因果鏈上的中間變量。這是混雜因素成立的基本條件。具備這幾個條件的因素，如果在比較的人群組中分布不均，即可導(dǎo)致混雜產(chǎn)生。如在關(guān)于吸煙與肺癌關(guān)系的病例對照研究中，年齡即具備這樣的條件，如果病例組與對照組年齡分布不均衡，即可導(dǎo)致對吸煙與肺癌關(guān)系的錯誤估計。防止混雜偏倚，可在研究設(shè)計和分析階段予以控制和處理，其方法常用限制（將研究對象限制在一定范圍，以使結(jié)果能直接用于分析）、配對和分層分析等措施控制。研究產(chǎn)婦狀況與電針引產(chǎn)手術(shù)效果的關(guān)系，將771例產(chǎn)婦按初產(chǎn)和往產(chǎn)進行分組，觀察電針引產(chǎn)手術(shù)的效果，結(jié)果如下表考慮胎膜狀況可能是影響到產(chǎn)婦狀況與手術(shù)效

果關(guān)系的混雜因素，將產(chǎn)婦按胎膜已破和未破進行分組，觀察胎膜狀況對手術(shù)效果的影響。再來考察初產(chǎn)和往產(chǎn)產(chǎn)婦中胎膜狀況的分布

情況，結(jié)果如表5。我們可以得出結(jié)論：胎膜狀況應(yīng)該是一個混雜

因素，因為它對手術(shù)的效果有影響，而且與產(chǎn)婦狀況有關(guān)。胎膜狀況在不同狀況產(chǎn)婦中分布明顯不同，初產(chǎn)產(chǎn)婦中胎膜已破率高于往產(chǎn)產(chǎn)婦。而胎膜已破組的手術(shù)成功率高于胎膜未破組，所以這種分布的不均衡就導(dǎo)致了混雜作用。為了控制混雜因素的影響可以采用分層分析的

方法。先將產(chǎn)婦按胎膜狀況分組，再在兩種不同的狀況下分析初產(chǎn)和往產(chǎn)產(chǎn)婦的手術(shù)效果，結(jié)果如表6。結(jié)果表明：在胎膜已破的情況下，產(chǎn)婦狀況對

手術(shù)效果有影響。分別在胎膜已破和胎膜未破的產(chǎn)婦中，比較初產(chǎn)和往產(chǎn)產(chǎn)婦，可使我們在不依賴于胎膜狀