实验设计(基本原则)

卫生统计学（第五版）卫生统计学与数学学教研室第二节实验设计的基本原则一、对照原则二、随机化原则三、重复原则–对照组设置的要求–对照的作用–对照的形式–重复的作用–重复的次数–随机化的作用–随机的含义–分层随机、完全随机化实验设计的主要作用就是减小误差，提高效率。确定接受处理因素的实验组时，应同时设立对照组，有比较才有鉴别，比较的基础就是对照，对照设立正确与否，关系到科研结论的正确性及成果价值。设立对照有着极其重要的意义：1、可排除或控制自然变化和非处理因素对观察结果的影响。2、可消除或减少实验误差。一、对照原则•均衡性(1)对等除处理因素外，对照组具备与实验组对等的非处理因素。(2)同步对照组与实验组设立之后，在整个研究进程中始终处于同一空间和同一时间。(3)专设任何一个对照组都是为相应的实验组专门设立的。不得借用文献上的记载或以往的结果或其它研究的资料作为本研究之对照。（一）对照组设置的要求（二）对照的作用①区分处理因素与非处理因素的效应，是比较的必要基础药物治疗例:老年性慢性支气管炎气候转暖,自然缓解②消除和减少实验误差处理组：对照组：比较结果处理因素非处理因素+处理效应+非处理效应处理因素处理效应非处理因素(无)非处理效应(无)排除“非处理因素”的影响，从而衬托出“处理因素”的作用。对照的必要性（鉴别）•疾病的自愈倾向——感冒、哮喘等100名感冒患者体温、鼻塞流涕情况1周后观察：体温下降和鼻塞流涕缓解状况服用感冒药A结论：该药能有效治疗感冒，改善鼻塞流涕状况例11W后体温下降，症状缓解1W后体温下降，症状缓解200名感冒患者服用药物A不服用药物A随机服药组100人不服药组100人治疗前症状差别无统计学意义治疗1天时体温差别有统计学意义1天后体温降至正常3天后体温降至正常分析：设计：结论：？？？（三）对照的形式包括：空白对照、安慰剂对照、实验对照、自身对照、标准对照、相互对照、历史对照。•安慰剂是指一种无药理作用的假药，其与治疗药物在外观、剂型等方面不能被受试对象所识别。安慰剂对照则是指将安慰剂施加于对照组的受试对象。安慰剂对照是一种特殊的空白对照，其目的主要是排除病人或受试对象的心理偏见。•人作为受试对象具有复杂的心理过程，极易受到各种外界因素的影响和干扰。1.安慰剂对照空白对照是指对照组不施加任何处理因素。常用于防疫系统疫苗接种效果的观察与研究。例如：实验组儿童接种疫苗，对照组儿童不接种疫苗。特点：简单易行，但容易引起心理差异，从而影响实验效应的测定。2.空白对照注意：在动物实验研究中，可以使用空白对照，而在针对人体的临床试验研究中，一般不能使用空白对照。对照组可以使用常规疗法以保证病人的生命安全，而对危重病人则更要注意不能使用空白对照。实验对照是指对照组虽未施加处理因素，但却施加了某种与处理因素有关的实验因素。这是一种比较特殊的非处理因素。含赖氨酸面包+非处理因素→赖氨酸效应+面包效应+非处理因素效应面包+非处理因素→面包效应+非处理因素效应赖氨酸赖氨酸效应非处理因素→+非处理因素效应3.实验对照自身对照是指对照和实验在同一个受试对象身上进行，只是在进行对照组和实验组的观察时，在时间上有前后顺序的不同。特点：简单易行，使用广泛。但若试验前后某些环境或自身因素发生改变，并且会影响试验结果，就难以说明问题。4.自身对照用公认的有效药物、现有的标准方法或常规方法作对照。例①某种新的方法能否代替传统方法的研究；②某病患者与正常人的某生理、生化指标是否相同。——实验室应用较多5.标准对照相互对照是指不专门设置对照组，而以各实验组之间互为对照，比较各处理因素试验效应的相对大小及作用。例如：比较几种药物治疗同一疾病的疗效６.相互对照7.历史对照历史对照是指以过去或以往的研究结果作为对照。主要用于对难治或无法治愈的疾病的研究，如晚期恶性肿瘤，狂犬病等疾病。由于这些疾病难以治愈或无法治愈，这种累积下来的治疗结果就成为历史对照。例如，狂犬病一但发病，其治愈率几乎为零，这是一个历史的治疗结果。历史对照一般不宜使用，应用时应特别注意资料的各种背景条件因素及其可比性。二、随机化原则（一）随机化原则随机化（randomization）是指总体中的每一个个体都有均等的机会被抽取或被分配到实验组及对照组中去。随机化原则的核心是机会均等。使用随机化方法可以消除在抽样及分组过程中，由于研究人员对受试对象主观意愿的选择而造成试验效应的误差。目的:是使各组非实验因素的条件均衡一致，以消除对实验结果的影响。(1)抽样随机每一个符合条件的实验对象参加实验的机会相同，即总体中每个个体有相同的机会被抽到样本中来；－代表性(2)分组随机每个实验对象分配到不同处理组的机会相同；－均衡性(3)实验顺序随机每个实验对象接受处理先后的机会相同。－平衡顺序或季节的影响客观性:•随机：random机会均等，客观性•随意：aswill随主观意愿，主观性•随机化分组，不仅能控制已知的混杂因素(非研究因素)，而且还能控制未知的混杂因素。随机≠“随意”随机化方法：抽签法、随机数字表(附表15）、计算器或计算机随机化分组等。（二）随机化的方法随机化原则：随机≠“随意”,指每个受试对象以机会均等的原则随机地分配到试验组和对照组。•完全随机化•分层随机化（配对随机化和区组随机化）•随机抽样;•随机分组;•随机分配处理的顺序。随机化应符合下列原则：•医生和病人不能事先知道或决定病人将被分配到哪一组接受治疗。•医生和病人都不能从上一个病人已经进入的组别推测出下一个病人将分配到哪一组。根据日期、病房等分组不是真正的随机化分组方法。1.完全随机化完全随机化就是直接对受试对象进行随机化分组，但分组后各组受试对象的例数不一定相同。具体步骤如下：（1）编号：将n个受试对象编号,动物可按体重大小，患者可按就诊顺序。（2）取随机数：可从随机数字表、计算器和计算机获得。每个受试对象获得的随机数可是一位数，也可以是两位数或三位数，一般要求与n的的位数相同。（3）确定组别：根据受试对象获得的随机数决定受试对象在哪一组。分两组可按随机数的奇偶，分k组可按随机数除以k后的余数进行分组。完全随机化分组设计预选对象受试对象对照组纳入标准实验组随机化完全随机分组设计简便易行，是目前最常用的实验设计方案，该设计的试验结果统计分析也较简单，即使每组例数不相同，也可以进行统计分析，缺点是，直接将实验单位分组增加了处理组内的误差，特别是当样本较小时，各种非实验因素在各处理组中的分布不易达到平衡，使试验结果的统计分析的检验把握度较小，降低了研究结论的可靠性。随机数字表分组例3试将10头动物应用随机数字表分配到甲、乙两组。⑴按动物体重编号⑵从附表15的第21行，第21列往上查10个随机数⑶规定双号为甲组，单号为乙组动物编号12345678910随机数字6926472998组别甲乙甲甲甲乙甲乙乙甲⑷调整：再接着查一个“6”以内的随机数，以决定甲组中哪一号拨到乙组。本例查得随机数为4，将甲组第4个（5号）调到乙组。抄取随机数字，从任一数字开始向任一方向方法：欲分为几组，就除以几，根据余数分组：例4将10例试验对象随机分配到甲、乙组中对象编号12345678910随机数字5972423631除以2的余数1112221211组别甲甲甲乙乙乙甲乙甲甲调整：1）甲组6人中选一人：另抄一随机数字8/6余2，则2号→乙随机数字表分组计算(器)机随机化分组例5用电脑产生随机数将10头动物随机分到甲、乙两组（1）动物编号（2）产生随机数（3）事先规定随机数者小为甲组，大者为乙组（4）按随机数排序，分组编号72101839546随机数0.010.100.140.380.410.600.860.880.900.96分组甲组甲组甲组甲组甲组乙组乙组乙组乙组乙组2.分层随机化•根据已知对研究结果有影响的因素，事先设立若干个层次，然后在各层内进行随机化分组。•目的：减少这些因素在各研究组中分布的不平衡,从而识别出治疗的真实作用。配对随机化和区组随机化可看成分层随机化的实际应用。（1）编号：将每层的受试对象编号排序,可按体重大小，时间由前至后等。（2）取随机数：可从随机数字表、计算器和计算机获得。每个受试对象获得的随机数可取两位数。（3）确定组别：根据受试对象获得的随机数的大小顺序决定受试对象在哪一组。对每个处理也可以规定顺序，如处理A，B，C，…分别对应于序号1,2,3…。随机分组随机分组随机分组随机分组预选对象研究对象纳入标准区组1区组2区组3区组n???按配伍条件4个水平4个水平4个水平4个水平区组随机设计区组随机分组每个区组内的观察单位按某一特征排序，如体重从轻到重。同时每个处理也规定顺序，如处理A对应序号为1，处理B对应序号为2，处理C对应序号为3，…，以此类推。选择随机排列的方法是：每个试验对象取2位随机数，用随机数从小到大排列后的序号决定处理的排列顺序，如某区组内每个试验对象的随机数为83，15，05，27，排列后顺序为4，2，1，3，则该区组四个处理的随机排列顺序是DBAC。随机区组设计特点当ｋ＝２时，随机区组设计就是通常所说的配对设计，实验单位的自然属性通常是动物的窝别（同窝的ｋ只动物），受试者个体（属于同一个体的ｋ个实验单位）等，若按某个非实验因素形成区组，则要选择对试验结果影响较大的因素，如果实验日期对实验结果有影响，则应按实验日期形成区组。根据不同的研究目的，区组的选择方式亦可不同，但都应遵循“区组间差别越大越好，区组内差别越小越好”的原则。与完全随机分组设计相比，随机区组设计在随机分组以前，先将实验单位按其自然属性或某一非处理因素配成区组，保证了该因素在各处理组间的分布均衡，随机区组设计多用于实验室研究或动物试验。•例6试将10对受试者随机分入甲、乙两处理组。•先将受试者编号，如第一对第1受试者编为1.1，第2受试者编为1.2，余仿此。随机指定附表15随机排列表，并规定单数取甲乙顺序，双数取乙甲顺序。受试者号1.11.22.12.23.13.24.14.25.15.26.16.27.17.28.18.29.19.210.110.2随机数字处理8乙甲7甲乙6乙甲2乙甲5甲乙9甲乙0乙甲1甲乙4乙甲3甲乙按配对设计的要求将10对病人进行分组•例7研究人员在进行科研时，要观察2个因素的作用。欲用20只动物分为五个区组和四个处理组。试进行设计及分组。•设计及分组方法和步骤如下：•（1）该设计可采用随机区组设计方案。分析的两个因素的作用可分别列为区组因素和处理组因素。•（2）取同一品系的动物20只。其中每一区组取同一窝出生的动物4只。五个区组即为五个不同窝别的动物。•（3）将每一区组的4只动物分别顺序编号为1～4号，5～8号，9～12号，13～16号，17～20号，接受A、B、C、D四种处理方式。•（4）查附表15随机排列表，任意指定5行。每行只随机取数1～4，其余数舍去。依次将随机数字记录于各配伍组的编号下，其随机数字即为该动物应分入的处理组，见下表。按随机区组设计要求对20只动物进行分组20只动物的分组结果动物编号1234567891011121314151617181920随机数字分配组别3C2B1A4D4D3C2B1A3C1A2B4D3C1A2B4D3C2B1A4D处理组区组ABCD一3214二8765三1011912四14151316五19181720三、重复的原则重复表现为二个含义：其一是样本含量的大小；其二是同一试验重复次数的多少，两者的本质是相同的。按照抽样误差变化的规律，在抽样中，随着样本含量的增大或重复次数的增加，抽样误差将逐渐减小。重复是指在相同的实验条件下进行实验过程的重复。重复程度表现为样本含量的大小和重复次数的多少。意义：消除非处理因素影响的另一重要手段验证实验结果的真实可靠性重复包括三种情形：(1)整个实验的重复。确保实验的重现性，以提高实验的可靠性；(2)用多个实验单位进行重复(样本含量)。避免把个别情况误认为普遍情况，把偶然性或巧合的现象当作必然的规律，通过一定数量的重复，使结论可信；(3)同一实验