統(tǒng)計學醫(yī)學統(tǒng)計學實驗設計

統(tǒng)計學醫(yī)學統(tǒng)計學實驗設計第十章

實驗設計?第1章緒論?21。掌握實驗設計的基本概念及意義。2。掌握實驗設計的三個基本要素及四個基本原則。3。了解樣本含量估計的意義及常用方法。4。熟悉常用實驗設計方法。第一節(jié)

實驗研究?第1章緒論?3一、實驗設計的概念實驗研究(experimentalresearch)是使設計的實驗因素或處理因素在其它干擾因素被嚴格控制的條件下，觀察其對實驗結(jié)果或?qū)嶒炐淖饔眉坝绊憽嶒炘O計(experimentdesign)是指研究人員對實驗因素作合理的、有效的安排，最大限度地減少實驗誤差，使實驗研究達到高效、快速和經(jīng)濟的目的。醫(yī)學實驗設計(medicalexperimentaldesign)是將實驗設計的基本原理和方法應用于醫(yī)學領域，主要包括基礎醫(yī)學、臨床醫(yī)學和預防醫(yī)學。其目的是研究如何科學地、合理地安排實驗因素，研究并排除實驗中所有影響實驗結(jié)果及效應的各種干擾因素的作用。干擾因素也稱為非處理因素或背景因素，它是指處理因素以外的可以影響實驗效應及實驗結(jié)果的一切可能的因素。?第1章緒論?4非處理因素一般多為受試對象本身的特征及外界環(huán)境因素，其來源復雜，范圍廣，經(jīng)常不易控制或不易察覺。實驗設計的基本構(gòu)成包括三個基本要素及四個基本原則。三個基本要素是：受試對象，處理因素和試驗效應。四個基本原則是：隨機化的原則，對照的原則，重復的原則及均衡的原則。?第1章緒論?5實驗設計的基本構(gòu)成三個基本要素四個基本原則受試對象處理因素試驗效應隨機化的原則對照的原則重復的原則均衡的原則?第1章緒論?6實驗研究主要具有三個基本特點：第一，研究人員能夠按照實驗設計的目的及要求設置處理因素。第二，受試對象可以通過隨機化原則隨機地接受某種處理因素或某種處理因素的不同水平。第三，由于應用了隨機化原則，使各比較組之間達到了較好的均衡性，因而，最大限度地減少了非處理因素對實驗效應及結(jié)果的干擾和影響。?第1章緒論?7二、實驗研究的特點由于實驗研究具備這三個特點，就使得實驗研究中各比較組之間具有較好的均衡性及可比性，大大減少了各種非處理因素或背景干擾因素對實驗效應及結(jié)果的影響，可以更為有效地控制實驗誤差，提高了實驗研究的效率及實驗結(jié)果的可靠性。?第1章緒論?8實驗研究有多種分類方法，一般常根據(jù)受試對象的特征分為三大類：1.動物實驗(animalexperiment)

是指用人工飼養(yǎng)繁殖的動物進行實驗研究。其特點是，容易控制處理因素及背景干擾因素，實驗誤差較小，實驗成本較低，觀察的實驗效應較為客觀。如果在實驗研究中，出現(xiàn)因各種原因而導致動物意外死亡或缺失時，可據(jù)情予以補充，收集資料及分析資料均較為方便。?第1章緒論?9三、實驗研究的分類1。動物實驗幾乎可用于醫(yī)學研究的各個領域。由于動物與人體之間在種屬等等方面存在巨大差異，因此，動物實驗的研究結(jié)果不能直接推論到人體上，而是可以作為人體研究的參考依據(jù)或基礎數(shù)據(jù)。常用于醫(yī)學研究的實驗動物有大白鼠、小白鼠、豚鼠、兔子、貓、狗、羊和豬等，還可以是猴及靈長目類動物。各種動物都有其自身的特點，選擇動物時，要根據(jù)研究目的先確定動物的種類，還應特別注意動物的性別、年齡、品系等特征。?第1章緒論?10·臨床試驗是指按科學的實驗方法，研究疾病在臨床階段規(guī)律的試驗。臨床試驗研究的對象主要是病人或健康人。1）選擇病人可以作為實驗組也可以作為對照組。一般是選擇患某種確診疾病的患者為觀察病例。選擇病人除考慮病人本身的特征外，還要考慮疾病的特征，如病情的發(fā)展狀況，常規(guī)治療方案的療效情況，病人的生存狀況是否存在危險等等方面。?第1章緒論?112.臨床試驗（clinical

trial）2）選擇健康人

一般是作為試驗的對照組，考慮的各方面因素與病人相同或相近。由于人的背景因素及個性特征極為復雜，在進行臨床試驗研究時，除考慮上述因素外，還要考慮醫(yī)德等方面的問題。在選擇病人及健康人、選擇處理因素時，要非常慎重。試驗前應該經(jīng)過科研小組成員及有關專家的認真討論，并進行周密設計，以避免出現(xiàn)各種意外情況。因此，針對人體的臨床試驗研究與動物試驗研究存在很大的區(qū)別。這是每位醫(yī)學科研工作者應該十分注意的。?第1章緒論?123。社區(qū)干預試驗（communityinterventiontrial）是指對社區(qū)中的所有人群施加某種處理因素并觀察一

段較長的時間。其目的是通過干擾某些在人群中存在的危險因素或施加某種保護性措施，觀察處理因素在社區(qū)人群中產(chǎn)生的效應或預防效果。典型的社區(qū)干預試驗的實例之一是在社區(qū)人群的飲水中加入氟化物以觀察是否能夠降低人群的齲齒發(fā)生率的試驗。由于社區(qū)干預試驗中涉及人群數(shù)量多，人群結(jié)構(gòu)復雜，不易控制處理因素及背景干擾因素，且難以對人群給予處理因素時進行隨機化分配，其試驗效果及效應的確切性往往不易準確判斷或確定。?第1章緒論?13

典型的社區(qū)干預試驗的實例之一是在社區(qū)人群的飲水中加入氟化物以觀察是否能夠降低人群的齲齒發(fā)生率的試驗。由于社區(qū)干預試驗中涉及人群數(shù)量多，人群結(jié)構(gòu)復雜，不易控制處理因素及背景干擾因素，且難以對人群給予處理因素時進行隨機化分配，其試驗效果及效應的確切性往往不易準確判斷或確定。第一節(jié)

實驗研究?第1章緒論?14第二節(jié)

實驗設計的基本要素?第1章緒論?15實驗設計有三個基本要素，即受試對象、處理因素和實驗效應。三個基本要素是相互聯(lián)系的。在實驗設計階段，研究人員應根據(jù)實驗研究的目的，緊緊抓住這三個基本要素，并應通盤考慮如何去合理有效地安排這三個基本要素。只有這樣，實驗設計才會有明確的方向。實驗設計是實驗研究中最為重要和關鍵的第一步。必須給予高度重視。有些研究人員未能充分認識到這第一步的重要性。經(jīng)常是先進行實驗研究工作，其后才考慮實驗設計問題。一、受試對象受試對象（studysubjects）是指在實驗研究中研究人員所要觀察的客體，即處理因素作用的對象。受試對象主要包括人、動物、微生物以及人或動物的試驗材料。如器官、組織、細胞、血液、尿液、糞便等。?第1章緒論?16第二節(jié) 實驗設計的基本要素選擇受試對象是根據(jù)科研課題的研究目的而確定的。選擇受試對象應考慮下列幾點：

①進行基礎性的醫(yī)學研究，多選擇動物及其材料作為受試對象，并可由此積累資料和基礎數(shù)據(jù)；

②觀察臨床療效、臨床檢驗水平、診斷水平及社區(qū)干預試驗等，多選擇人體及其材料作為受試對象。一般常

以病人為實驗組，健康人為對照組；也可選擇幾組不

同類型的病人分別作為實驗組和對照組。?第1章緒論?17（一）

受試對象的基本條件受試對象應具備下列基本條件。（1）敏感性：是指受試對象接受處理因素后，容易顯示實驗效應。（2）特異性：是指受試對象接受處理因素后，只產(chǎn)生特定的實驗效應。（3）穩(wěn)定性：是指受試對象產(chǎn)生的實驗效應僅在特定范圍內(nèi)波動，且波動相對較小。（4）經(jīng)濟性：是指受試對象容易獲取且價格便宜。（5）可行性：是指受試對象便于施加處理因素及獲取標本（6）相似性：是指動物產(chǎn)生的實驗效應盡可能與人體近似?第1章緒論?18???第1章緒論?19（一）

常用受試對象的基本特征1。動物

醫(yī)學研究中的各個領域幾乎都要用到實驗動物。使用動物作為受試對象非常方便，安全性高，價格相對便宜，而且不涉及人類的醫(yī)德問題。研究中動物意外缺失可以據(jù)情予以補充。飼養(yǎng)、管理及觀察動物十分方便且容易做到。選擇動物一般要考慮動物的種類、種屬、品系、窩別、性別、年齡、體重、健康狀況、是否容易飼養(yǎng)和存活，對施加的處理因素的反應特征等方面。（1）小白鼠及大白鼠

嚙齒類動物。主要用于進行毒理學研究?？梢匝芯扛鞣N有害毒物的急慢性毒性作用及“三致”作用，即毒物的致突變作用，致畸變作用及致癌作用。用此類動物進行實驗研究，其特點是價格低，易飼養(yǎng)，可以大量使用。但由于嚙齒類動物缺乏嘔吐反射，故凡是能引起嘔吐反射的化合物的毒性研究，一般不能使用此類動物。（2）兔

也屬于嚙齒類動物。用于化合物的毒性試驗研究。尤其是經(jīng)皮膚接觸的毒作用試驗。也可用于胃腸道對外來化合物的吸收動力學研究。?第1章緒論?20（3）貓和狗

為非嚙齒類動物的典型代表?？捎糜诙纠韺W試驗研究，也可用于生理學研究。如進行血壓、睡眠等方面的研究。但貓與狗的價格較高，不適于大數(shù)量使用。（4）豬

其皮膚結(jié)構(gòu)與人體較近似，可用于各種毒物對皮膚的毒性作用研究。豬的軀體較大，價格較高，不便于大量使用。（5）其它

猴與靈長目類動物與人類較接近，但其價格昂貴，只用于某些特殊研究。一般情況下不使用此類動物。?第1章緒論?212。人體

以人體作為觀察對象，涉及的問題很多且較為復雜，一般應考慮下列幾個方面：（1）一般條件

性別、年齡、民族、個人嗜好、生活習慣、居住地區(qū)等。（2）健康狀況

既往病史、家族成員病史、目前健康狀況，身體發(fā)育狀況等。（3）社會因素

職業(yè)、文化程度、經(jīng)濟條件、居住條件、家庭狀況、心理狀況、個性特征、病人及其家屬的合作態(tài)度等。?第1章緒論?22（4）疾病因素病種、病型、病期、病程、病情、診斷方法、診斷標準、試驗研究的時間期限等。（5）機體材料標本的獲取部位、獲取條件、新鮮程度、保存方法、培養(yǎng)條件、運輸及傳送方式等。

（6）外界環(huán)境因素醫(yī)院規(guī)模、醫(yī)療水平、醫(yī)療設備、醫(yī)護人員的水平及素質(zhì)、病房的大小、病房中病人數(shù)量、病人距離醫(yī)院的遠近，就診的方便程度等。?第1章緒論?23人體作為受試對象，常用于臨床治療方案的療效觀察研究以及某種疫苗在人群中預防某種疾病的效果觀察等。在臨床治療工作中，每一位病人都可以作為一個觀察對象。但是，按照實驗設計的四個基本原則，如想在特定時期內(nèi)選擇幾組除處理因素不同以外，其它各方面條件都基本一致的病例，則是一件相當困難的事情。?第1章緒論?24處理因素（studyfactor）是指由研究人員施加于受試對象并能產(chǎn)生一定試驗效應的因素。醫(yī)學科研中常用的處理因素主要有下列幾大類：?第1章緒論?25電、磁、光、聲、溫度、射線、微波、超聲藥物、營養(yǎng)素、激素、毒物、各種有機和無1.物理因素波等。2.化學因素機化合物等。3.生物因素寄生蟲、真菌、細菌、病毒及其生物制品等。處理因素在實驗設計階段也要認真考慮并仔細分析。尤其是處理因素的劑量及水平數(shù)應該通過預試驗或據(jù)以往經(jīng)驗有一定的了解和把握。處理因素劑量過小，受試對象不產(chǎn)生反應，達不到觀察試驗效應的目的。如果劑量過大，則可能導致受試對象的強烈反應乃至死亡。對動物進行毒理學研究時，處理因素的劑量變化范圍較大，可以使動物不出現(xiàn)反應，剛出現(xiàn)反應，到動物出現(xiàn)較大反

應或死亡。對于臨床試驗，由于針對的是人體，控制處理

因素的劑量范圍是非常重要的。其注意點是，應在保證人

體安全的前提下，將處理因素安全劑量范圍內(nèi)的不同劑量

水平施加于人體，觀察機體的反應及試驗效應。?第1章緒論?26在實驗研究中，由于影響試驗結(jié)果的因素很多，有時則十分復雜。因此，在安排施加處理因素時，應考慮下列幾個方面。1。抓住實驗中的主要因素任何一項實驗研究都有其主要的方面或主要矛盾。2。確定處理因素和非處理因素

實驗研究中應根據(jù)研究目的確定處理因素和非處理因素。一般情況下，兩者的區(qū)別并不困難。

3。處理因素標準化

是指在進行同一個實驗研究時，施加于多個受試對象的處理因素是相同一致的。不能隨意加以改變。尤其是用于病人的藥物。?第1章緒論?27三、實驗效應實驗效應（experimentaleffect）是指處理因素施加于受試對象并經(jīng)過一定時間，受試對象產(chǎn)生的各種反應及表現(xiàn)。這些反應可以是主觀的，也可以是客觀的。實驗效應可以用各種各樣的具體指標來表示。觀察實驗效應，應盡可能選擇客觀指標以及容易檢測及分析的指標。第二節(jié)

實驗設計的基本要素?第1章緒論?28（一）觀察指標的分類觀察指標按其性質(zhì)一般可以分為下列幾類：1.定量指標

可以用具體的度量衡單位來表示的指標。如人體的身高用厘米表示，體重用公斤表示，脈搏用每分鐘的次數(shù)來表示。計量指標可以根據(jù)具體指標的要求，精確到小數(shù)點后面若干位。2.分類指標按受試對象的屬性或特征先分類，再計數(shù)各類的個數(shù)。用絕對數(shù)或相對數(shù)來表示。如某檢測指標的結(jié)果可以用“是”或“否”，“陰性”或“陽性”來表示。?第1章緒論?293.等級指標按試驗效應的程度分為若干等級，并計數(shù)各等級的個數(shù)。該指標介于定量及分類指標之間。如用某治療方案治療病人，其觀察結(jié)果可以分為四個等級，即：無效，顯效，好轉(zhuǎn)，痊愈。這四個等級可以用一個或多個具體量度指標來確定。?第1章緒論?30(二）選擇觀察指標的要求1.關聯(lián)性是指觀察指標與研究目的有著本質(zhì)而密切的聯(lián)系，能夠確切反映處理因素的試驗效應。這些指標可以通過查閱文獻或根據(jù)以往經(jīng)驗而獲得。2.客觀性是指能夠借助各種檢測手段及方法所觀測記錄的指標。如血壓，紅細胞數(shù)，心電圖，尿鉛含量等指標。?第1章緒論?313.精確性

精確性包括兩層含義。其一是準確度，即指實際測量值與真值的接近程度。準確度越高，測量

值越接近真值，誤差則越小。盡管真值往往未知，但

準確度越高，指標的可靠性越高。其二是精密度，指

在重復觀察及測量時，觀察值與其平均值的接近程度。精密度越高，說明重復的測量值越接近，檢測設備或

手段的穩(wěn)定性越好。?第1章緒論?324.穩(wěn)定性是指觀察指標變異度的大小。穩(wěn)定性高，則變異度小，指標的代表性強，反之亦然。穩(wěn)定性一般可以用該指標的變異系數(shù)來表示。如果變異系數(shù)不超過15%～20%，則該指標的穩(wěn)定性較好。5.靈敏性是指各種檢測手段和方法能夠檢測出試驗效應微小變化的能力。靈敏性越高，則檢測出試驗效應微小變化的能力越強。隨著科學技術的快速發(fā)展，檢測手段的靈敏性將會越來越高。?第1章緒論?336.特異性

是指檢測指標的排它性,是觀察指標對某種特殊試驗效應及結(jié)果的反映能力。特異性越強，觀察指標反映某種試驗效應的能力越強。特異性對診斷嚴重疾病的意義非常重要。如果某檢測指標特異性強，則該指標對確診和早期發(fā)現(xiàn)嚴重疾病具有直接意義。如檢測指標甲胎蛋白對確診早期肝癌具有重要意義。?第1章緒論?346.特異性

是指檢測指標的排它性,是觀察指標對某種特殊試驗效應及結(jié)果的反映能力。特異性越強，觀察指標反映某種試驗效應的能力越強。特異性對診斷嚴重疾病的意義非常重要。如果某檢測指標特異性強，則該指標對確診和早期發(fā)現(xiàn)嚴重疾病具有直接意義。如檢測指標甲胎蛋白對確診早期肝癌具有重要意義。?第1章緒論?35（三）消除心理偏性的方法

心理偏性是指研究人員及受試對象由于各自的心理偏見而在觀察或描述試驗效應時產(chǎn)生的誤差。如醫(yī)護人員容易認為自己使用的治療方案要好于其他人的治療方案。病人則容易受醫(yī)院規(guī)模大小，醫(yī)療設備的先進程度，醫(yī)院醫(yī)療水平的高低，權威醫(yī)護人員或普通醫(yī)護人員治療等等方面的心理影響。這些影響可以導致病人主觀感覺的偏見。消除上述心理偏性的方法一般是使用盲法設計。?第1章緒論?36第三節(jié)

實驗設計的基本原則?第1章緒論?37實驗設計包括四項基本原則，即隨機化的原則，對照的原則，重復的原則和均衡的原則。一、隨機化的原則1.概念及用途隨機化（randomization）是指總體中的每一個個體都有均等的機會被抽取或被分配到實驗組及對照組中去。隨機化原則的核心是機會均等。使用隨機化方法可以消除在抽樣及分組過程中，由于研究人員對受試對象主觀意愿的選擇而造成試驗效應的誤差。2.隨機化的方法隨機化的方法有多種。常用的有抽簽法，抓鬮法，隨機數(shù)字法等。隨機數(shù)字法一般有隨機數(shù)字表和隨機排列表。普通函數(shù)型電子計算器也可以顯示隨機數(shù)字。隨機數(shù)字表中出現(xiàn)數(shù)字0－9的機會或概率是均等的。利用隨機數(shù)字分組的方法很多也很靈活。?第1章緒論?38對照（control）是指在實驗研究中使受試對象的處理因素和非處理因素的試驗效應的差異有一個科學的對比。主要目的是為了排除對照組和實驗組中非處理因素對試驗效應的影響或干擾作用，并使得實驗組和對照組具有可比性。對照的基本要求是，除處理因素作有計劃的變化外，實驗組與對照組的其它條件盡量保持一致。?第1章緒論?39二、對照的原則實驗研究中設置對照組是非常重要的。常用的對照方法有下列幾種。（一）空白對照空白對照是指對照組不施加任何處理因素。常用于防疫系統(tǒng)疫苗接種效果的觀察與研究。注意：在動物實驗研究中，可以使用空白對照，而在針對人體的臨床試驗研究中，一般不能使用空白對照。對照組可以使用常規(guī)療法以保證病人的生命安全，而對危重病人則更要注意不能使用空白對照。?第1章緒論?40（二）標準對照標準對照是指以公認或習慣的標準方法、標準值或正常值作為對照。這些對照值或標準值一般是多個地區(qū)多年累積的經(jīng)驗結(jié)果，具有參考價值和意義。實驗研究中一般不用標準值作對照，主要是某項實驗研究中的實驗條件難以與標準值的實驗條件相一致，不具備良好的可比性。臨床試驗研究中可以用常規(guī)療法或經(jīng)驗療法作為標準對照組。?第1章緒論?41（三）

實驗對照實驗對照是指對照組雖未施加處理因素，但卻施加了某種與處理因素有關的實驗因素。這是一種比較特殊的非處理因素。例如，研究賴氨酸對促進兒童的生長發(fā)育作用，實驗組兒童的課間餐為加賴氨酸的面包，對照組為不加賴氨酸的面包，兩組兒童面包的數(shù)量是一致的。?第1章緒論?42（四）自身對照自身對照是指對照和實驗在同一個受試對象身上進行，只是在進行對照組和實驗組的觀察時，在時間上有前

后順序的不同。（五）

相互對照相互對照是指不專門設置對照組，而以各實驗組之間互為對照，比較各處理因素試驗效應的相對大小及作用。?第1章緒論?43（六）

安慰劑對照安慰劑（placebo）是指一種無藥理作用的假藥，其與治療藥物在外觀、劑型等方面不能被受試對象所識別。安慰劑對照則是指將安慰劑施加于對照組的受試對象。安慰劑對照是一種特殊的空白對照，其目的主要是排

除病人或受試對象的心理偏見。人作為受試對象具有復雜的心理過程，極易受到各種外界因素的影響和干擾。?第1章緒論?44（七）歷史對照歷史對照是指以過去或以往的研究結(jié)果作為對照。主要用于對難治或無法治愈的疾病的研究，如晚期惡性腫瘤，狂犬病等疾病。由于這些疾病難以治愈或無法治愈，這種累積下來的治療結(jié)果就成為歷史對照。例如，狂犬病一但發(fā)病，其治愈率幾乎為零，這是一個歷史的治療結(jié)果。歷史對照一般不宜使用，應用時應特別注意資料的各種背景條件因素及其可比性。?第1章緒論?45三、重復的原則重復（replication）是指實驗組和對照組的受試對象應具有一定的數(shù)量。重復表現(xiàn)為二個含義：其一是樣本含量的大??；其二是同一試驗重復次數(shù)的多少，兩者的本質(zhì)是相同的。按照抽樣誤差變化的規(guī)律，在抽樣中，隨著樣本含量的增大或重復次數(shù)的增加，抽樣誤差將逐漸減小。?第1章緒論?46

如果研究總體中的所有個體，其優(yōu)點是研究的指標準確可靠，沒有抽樣誤差，具有較高或很高的參考價值；缺點是耗費大量的人力、物力、財力和時間，一般情

況下是不采用的。研究樣本的優(yōu)點是節(jié)省人力、物力、財力和時間；缺點是觀察指標存在抽樣誤差，降低了

指標的準確性和可靠性。如果未認真進行實驗設計和

考慮抽樣方法，則樣本指標常可導致錯誤的結(jié)論。這

也是在抽樣研究中要十分注意的問題。?第1章緒論?47四、均衡的原則

均衡的原則也稱為齊同原則，是指對照組除處理因素與實驗組不同外，其它各種條件及因素應基本一致。這些條件及因素即指非處理因素或稱為背景因素。對照組與實驗組應具有較好的均衡性，這樣才能保證各組之間具有較好的可比性，才能充分顯示出實驗組處理因素的效應和作用，排除其它各種因素的干擾和影響。?第1章緒論?48第四節(jié)

樣本含量的估計?第1章緒論?49一、確定樣本含量的意義正確確定樣本含量是實驗設計中的一個重要部分，在估計樣本含量時，應當注意克服兩種傾向：·

1。某些研究工作者片面追求增大樣本例數(shù)，認為樣本例數(shù)越大越好，甚至提出“大量觀察”是確定樣本含量的一個重要原則，其結(jié)果導致人力、物力和時間上的浪費?！?/p>

2.

確定總體標準差σ

由于總體標準σ差往往未?第1章緒論?50知或不易獲得，一般可用預試驗的樣本標準差S來估計或代替。3.

確定第一類錯誤的概率α也稱為檢驗水準或顯著性水平，α越小，所需樣本例數(shù)越多。習慣上，檢驗水準一般取α＝0.05，并可根據(jù)專業(yè)要求決定取單側(cè)α或雙側(cè)α

。4.

檢驗效能（1-β）?第1章緒論?51檢驗效能也稱為把握度，是指在特定水準下，若總體間確實存在差異，則該次試驗能發(fā)現(xiàn)此差異的概率。其中的β為第二類錯誤。（1－β）越大，即把握度越高，所需樣本例數(shù)越多。通常取β＝0.1或β＝0.2，相應的檢驗效能為0.9或0.8。一般檢驗效能不宜低于0.75，否則第二類錯誤增大，“存?zhèn)巍钡母怕试黾?。樣本含量估計的方法較多，有些公式較為復雜，計算繁瑣。最常用的幾種方法有：1。樣本均數(shù)與總體均數(shù)的比較2。兩樣本均數(shù)的比較3。兩樣本率的比較具體計算方法公式：略。?第1章緒論?52三、常用樣本含量估計方法一、完全隨機設計?

完全隨機設計（completely

random

design）

也稱為單因素設計，該設計只能分析一個處理因素的作用。處理因素可有2個或2個以上水平，每個水平代表一個分組?？捎贸楹灧ā⒆ヴb法或隨機數(shù)字法等將受試對象隨機分配到各實驗組及對照組中。該設計的特點是，簡單方便，應用廣泛，容易進行統(tǒng)計分析；但只能分析一個因素的作用，效率相對較低。如果只有兩個分組時，可用t檢驗或單因素方差分析處理資料。如果組數(shù)大于等于3時，可用單因素方差分析處理資料。第五節(jié)

常用實驗設計方法?第1章緒論?53該設計如果用于臨床試驗，也可稱為臨床試驗設計中的隨機對照試驗（randomizedcontroltrial）；如果其中采用了盲法設計，則又稱為隨機盲法對照試驗（randomizedblindcontroltrial）。注意，在受試對象分組前，應使其非處理因素盡量達到均衡，然后再采用隨機方法對受試對象進行分組，這樣才能使得各組的可比性高，均衡性強。?第1章緒論?54例10.4

按單因素設計要求，將15只動物等量分為A、B、C三組。設計及分組步驟如下。（1）選取15只品系相同，性別相同，年齡相同或相近，體重相近的動物15只。（2）將15只動物任意編號為1～15號。?第1章緒論?55（3）查附表17，“隨機排列表”，預先規(guī)定：從該表第12行順序查抄1～15范圍內(nèi)的隨機數(shù)字15個，小于1及大于15的數(shù)字舍去。數(shù)字1～5歸入A組，6～10歸入B組，

11～15歸入C組。（4）15只動物分組方法及結(jié)果，見表10-4。表10-4

單因素設計動物分組方法?第1章緒論?56配對設計（paired

design）是將受試對象按一定條

件配成對子，分別給予每對中的兩個受試對象以不同

的處理。配對的條件是影響實驗效應的主要非處理因

素。在這些非處理因素中，動物主要有：種屬，性別，年齡，體重，窩別等因素；人群主要有：種族，性別，年齡，體重，文化教育背景，生活背景，居住條件，

勞動條件等。其中病人還應考慮疾病類型，病情嚴重

程度，診斷標準等方面。配對設計的目的是降低、減

弱或消除兩個比較組的非處理因素的作用。?第1章緒論?57二、配對設計該設計的特點是：可以節(jié)約樣本含量，增強組間均衡性，提高試驗效率，減輕人力、物力和財力負擔。在臨床試驗中，配對設計應用廣泛。醫(yī)學科研中常見的配對設計有下列幾種類型：（1）配對設計將兩個條件相近的受試對象按1:1配成對子，然后對每對中的個體隨機分組，再施加處理因素觀察效應。?第1章緒論?58（2）自身對照設計

臨床上常見情況是，把病人治療前與治療后的檢測指標值作為一對數(shù)據(jù)。若干個病人的檢測值作為若干對數(shù)據(jù)。這種設計為配對設計中的一種。（3）同一標本用兩種方法檢測

采集的同一份標本或樣品如果用兩種方法進行檢測，則得到一對數(shù)據(jù)。檢測一批樣品則得到若干對數(shù)據(jù)。此種設計也屬于配對設計。?第1章緒論?59交叉設計（cross-overdesign）是一種特殊的自身對照設計。它克服了由于施加于受試對象的處理因素在時間上的不同而導致的試驗效應的偏差。（一）交叉設計的特點1.節(jié)約樣本含量，試驗效率高。2.可以均衡因施加處理因素的時間順序不同對試驗效應的影響。3.每個受試對象均可接受A和B兩種處理因素。4.需用交叉設計的方差分析方法處理數(shù)據(jù)，其計算稍嫌繁瑣。?第1章緒論?60三、交叉設計例10.5

試將10對受試者隨機分入甲、乙兩處理組。先將受試者編號，如第一對第1受試者編為1.1，第2受試者編為1.2，余仿此。隨機指定附表17隨機排列表第2行，舍去10～19之間的數(shù)字，并規(guī)定單數(shù)取甲乙順序，雙數(shù)取乙甲順序。表10-5按配對設計的要求將10對病人進行分組?第1章緒論?615.要求兩種處理因素不能相互影響。觀察時間不能過長，處理效應不能持續(xù)過久。6.臨床試驗設計中，不適合于急性病的療效觀察。由于急性病的病程較短，在試驗的第一階段該病可能已經(jīng)治愈，則在第二階段不可能再顯示出療效。7.該設計應采用雙盲法設計較好，以避免試驗執(zhí)行者和病人的心理偏見。?第1章緒論?62（二）設計方法1.先將條件相近的受試對象按1:1配成若干對子；2.用隨機方法將每對中的兩個個體分為兩組；3.決定兩個組中的哪個組的受試對象先用A處理因素，后用B處理因素；另一組的受試對象則與此相反。例如，第一組先給A，第二組先給B；經(jīng)一定時間后，第一組再給B，第二組再給A。4.在試驗的不同時期即前后兩個階段，A與B兩種處理因素既同時使用又交叉使用。兩組中A結(jié)果與B結(jié)果之差即為試驗效應。?第1章緒論?63

例10.6

已配成對子的10對病人（共計20例），請將他們按交叉設計要求進行A、B兩種處理方式的隨機分配。分組方法及步驟如下。

（1）將10對病人任意編為1～10號，再將每對病人依次編號為1.1、1.2，2.1、2.2，…等。

（2）查附表17隨機排列表。任意指定隨機排列表一行，比如從該表第9行，舍去10～20，將隨機數(shù)字列于表10-6中。若遇隨機數(shù)字的單數(shù)，則對子中的第1個病人先A后B，對子中的第2個病人先B后A。若遇雙數(shù)，則

對子中的第1個病人先B后A，第2個病人先A后B。余類推。?第1章緒論?64表10-6

按交叉設計要求對10對病人進行分組?第1章緒論?65注意：所謂“先A后B”是指試驗開始的第一階段，先對相應病人使用A處理因素；在試驗的第二階段對該病人使用B處理因素?！跋菳后A”的意義與此相反。隨機區(qū)組設計（randomizedblockdesign）也稱為配伍組設計或雙因素設計。它是1:1配對設計的擴大。該設計是將受試對象按配對條件先劃分成若干個區(qū)組或配伍組，再將每一區(qū)組中的各受試對象隨機分配到各個處理組中去。?第1章緒論?66四、隨機區(qū)組設計①進一步提高了各區(qū)組及處理組的均衡性及可比性；②可控制一般設計中的混雜性偏倚；③節(jié)約樣本含量，增強試驗效率；④可同時分析兩個處理因素的作用，且兩因素應相互獨立，無交互作用；⑤每一區(qū)組中受試對象的個數(shù)即為處理組數(shù)，每一處理組中受試對象的個數(shù)即為區(qū)組數(shù)；⑥可用雙因素方差分析方法處理數(shù)據(jù)，計算較為繁瑣；⑦應特別注意該設計中受試對象的區(qū)組分組方法和處理組分組方法，否則將影響到該設計的均衡性及試驗效率。?第1章緒論?67該設計的特點是：例10.7

研究人員在進行科研時，要觀察2個因素的作用。欲用20只動物分為五個區(qū)組和四個處理組。試進行設計及分組。設計及分組方法和步驟如下：（1）該設計可采用隨機區(qū)組設計方案。分析的兩個因素的作用可分別列為區(qū)組因素和處理組因素。兩因素服從正態(tài)分布、方差齊性且相互獨立。（2）取同一品系的動物20只。其中每一區(qū)組取同一窩出生的動物4只。五個區(qū)組即為五個不同窩別的動物。?第1章緒論?68（3）將每一區(qū)組的4只動物分別順序編號為1～4號，5～8號，9～12號，13～16號，17～20號，接受A、B、C、D四種處理方式。（4）查附表17隨機排列表，任意指定5行，如第9至第13行。每行只隨機取數(shù)1～4，其余數(shù)舍去。依次將隨機數(shù)字記錄于各配伍組的編號下，其隨機數(shù)字即為該動物應分入的處理組，見表10-7。?第1章緒論?69表10-7按隨機區(qū)組設計要求對20只動物進行分組表10-8

20只動物的分組結(jié)果?第1章緒論?70拉丁方（Latin

square

）是指用r個拉丁字母排成r行r列的方陣，使每行每列中的每個字母都只出現(xiàn)一次，此方陣叫r階拉丁方或r×r拉丁方。拉丁方設計（Latinsquaredesign）是利用拉丁方來安排并觀察分析三個處理因素試驗效應的設計方法。拉丁方設計的基本要求是：①必須是三個因素的試驗，而且三個因素的水平數(shù)相等；②三個因素相互獨立，

無交互作用；③三個因素試驗效應的測量指標服從正

態(tài)分布且方差齊性。??第1章緒論?71五*、拉丁方設計

拉丁方設計的基本特點是：①拉丁方設計分別用行間、列間和字母間表示三個因素及其不同水平；②拉丁方方陣可以進行隨機化，目的是打亂原字母排列的有序性。具體方法是，將整行的字母上下移動或?qū)⒄械淖帜?/p>

左右移動。經(jīng)多次移動即可以打亂字母的順序性并達

到字母排列的隨機化；③無論如何隨機化，方陣中每行每列每個字母仍只出現(xiàn)一次；④拉丁方設計均衡性強，試驗效率高，節(jié)省樣本含量，可用拉丁方設計的方差

分析處理數(shù)據(jù)，但計算較為繁瑣。?第1章緒論?72例10.8

將4×4拉丁方的有序字母隨機化。見表10-9。

表10-9中，第（1）欄的拉丁方字母有順序，尚未隨機化。第（2）欄：將第（1）欄的第1行與第3行交換位置。第（3）欄：將第（2）欄的第1列與第3列交換位置。還可以繼續(xù)隨機化，直到滿意為止。表10-9

拉丁方方陣的隨機化?第1章緒論?73六*、析因設計?第1章緒論?74(一)概念及特點析因設計（factorial

design）也稱為析因?qū)嶒灒╢actorial

experiment），是一種多因素的交叉分組設計。它不僅可檢驗每個因素各水平間的差異，而且可檢驗各因素間的交互作用。

交互作用是指兩個或多個因素的作用相互影響，各因素間互不獨立，一個因素的水平有改變時，另一個或幾個因素的效應也相應有所改變。交互作用的結(jié)果是使總的試驗效應增強或降低。

最簡單的析因設計為2×2（或22）析因設計。其意義為：試驗中共有2個因素，每個因素各有兩個水平。再如，2×2×2（或23）析因設計，表示試驗中有三個因素，每個因素各有兩個水平。

數(shù)字表達式中的指數(shù)表示因素個數(shù)，底數(shù)表示每個因素的水平數(shù)。

析因設計的特點是：①可分析多個因素多個水平的試驗效應，可以分析各因素的獨立作用及其各級交互作用；②節(jié)省樣本含量，試驗效率高；③設計時較為復雜，計算較為繁瑣。可用析因設計的方差分析處理數(shù)據(jù)。當因素個數(shù)較多時，計算量大，計算工作相當繁瑣，對

計算結(jié)果的解釋也會變得十分錯綜復雜。?第1章緒論?752×2析因?qū)嶒炞饔媚Ｊ奖?0－10

2×2析因設計作用模式?第1章緒論?76（三）交互作用的類型?第1章緒論?77設實驗研究中有A、B、C、D四種因素，其交互作用的類型如下。（1）獨立作用：

A、B、C、D，是四個因素各自的單獨作用。

（2）一級交互作用：A×B，A×C，A×D，B×C，B×D，C×D，是任意兩個因素的共同作用。

（3）二級交互作用：A×B×C，A×B×D，A×C×D，B×C×D，是任意三個因素的共同作用。（4）三級交互作用：A×B×C×D，