卫生统计学第八版李晓松第十五章 实验研究设计

卫生统计学方亚厦门大学杨土保中南大学第十五章实验研究设计目录第一节：实验设计的基本内容与原则第二节：常用的设计类型及其样本量估计第三节：其他试验设计010203重点难点实验设计的基本内容※实验对象、处理因素和实验效应的选择及注意事项※完全随机设计、随机区组设计和析因设计的特点※临床试验和群随机试验的概念与特征第一节实验设计的基本内容与原则1.形成研究假说（1）研究假说一：1854年伦敦宽街爆发霍乱，英国医生JohnSnow调查了疫情发生的地点和死亡病例，利用标点地图方法把死亡病例标点到地图上，发现所有死亡病例均有一个共同的特征，即发病前均喝过该区某个水井里的水，因此提出霍乱的爆发与该水井有密切联系这一假说。（2）研究假说二：吸烟和工业污染是公认的肺癌病因，中国西部农业小镇宣威的肺癌发病率在全世界位居第一，但已有研究表明这两种因素对宣威地区肺癌发生影响不大。宣威地区烟煤量丰富，当地农村居民长年习惯在室内烧烟煤取暖做饭，但烧煤的火塘没有进风口和烟囱，从而造成室内严重空气污染，由此提出烧烟煤引起的室内空气严重污染是肺癌病因之一的假说。（一）研究目的第一节实验设计的基本内容与原则第一节实验设计的基本内容与原则2.确定研究目的科学研究就是提出假说和验证假说的过程，实验研究设计的实质是说明如何验证假说。将研究假说具体化即为研究目的。确定研究目的要明确研究主要目的和次要目的及其实际价值。主要目的就是研究的主要问题，次要目的是需要进一步补充和完善研究的结果。注意研究目的需具体明确。（一）研究目的第一节实验设计的基本内容与原则例如大骨节病发病率的高低和病情的严重程度与粮食中脱氧雪腐镰刀菌烯醇(deoxynivalenol,DON)含量有一定的关联性，所食用粮食中DON含量高的老年人发病率高于DON含量低者，且病情较严重。其中，主要目的：注射不同剂量DON后新西兰家兔膝关节软骨和滑膜改变。次要目的：新西兰家兔注射不同剂量DON后膝关节冲洗液中IL-1β、TNF-α、NO水平。（一）研究目的第一节实验设计的基本内容与原则1.基本概念实验对象(experimentsubject)是接受处理因素作用的基本单位，亦称研究对象。实验对象可分为生物体和非生物体。非生物体主要是化学的、物理的实验材料；生物体又可分为人体和非人体。非人体有动物、植物、也可以是某个器官、血清、组织、细胞等；人体可以是某病的患者，也可以是正常人。（二）实验对象第一节实验设计的基本内容与原则2.注意事项（1）实验对象是实验设计的基本要素之一，不同性质的实验研究需要选取不同种类的实验对象。（2）若实验对象为动物，应明确种属、品系、年龄、性别、体重、窝别和营养状况等。（3）实验对象的计数单位要根据具体情况决定。（二）实验对象第一节实验设计的基本内容与原则1.处理因素和处理水平（1）基本概念：处理因素(treatment)是根据研究目的施加于研究对象的干预因素，可以是物理因素、化学因素或生物因素。处理因素可分为不同的水平。所谓水平，即处理因素在剂量或强度上的不同。如在比较不同DON注射剂量组新西兰家兔膝关节软骨和滑膜的形态学改变的研究中，2个DON剂量组和1个生理盐水对照组，DON注射剂量分为0.05μg/g、0.10μg/g，此时处理因素有3个水平。（三）处理因素第一节实验设计的基本内容与原则（2）根据处理因素与水平的不同，可将实验研究分为两类：①单因素多水平：实验只有1个处理因素，处理因素的水平数大于1。如比较不同DON注射剂量组新西兰家兔膝关节软骨和滑膜的形态学改变的研究中，设1个DON剂量组和1个生理盐水对照组，这属于单因素两水平。如设2个DON剂量组和1个生理盐水对照组，则属于单因素三水平。②多因素多水平：实验同时有多个处理因素，每个处理因素均有多于1个水平。如在比较不同DON剂量组新西兰家兔膝关节软骨和滑膜的形态学改变的研究中，有2个处理因素即DON注射和染毒方式，DON剂量为0.05μg/g、0.10μg/g2个水平，染毒方式有注射和灌胃2个水平。（三）处理因素第一节实验设计的基本内容与原则2.处理因素标准化在实验过程中，同一组内各个体接受的处理因素应保持不变，包括处理因素的施加方式、力度、频次和持续时间等。如比较不同DON注射剂量组新西兰家兔膝关节软骨和滑膜的形态学改变的研究中，共有3个组：对照组、低剂量组和高剂量组，每组均有5只新西兰家兔。对照组的5只家兔每日均采用耳缘静脉注射5ml/kg的生理盐水，低剂量组和高剂量组也应均采用耳缘静脉分别注射0.10μg/g、0.05μg/g的DON，3组耳缘静脉注射期限均为20天。（三）处理因素第一节实验设计的基本内容与原则3.处理因素与非处理因素（1）在研究过程中，除处理因素外，还有很多其他因素会对结果产生影响。需根据专业知识和实验条件明确可能对研究结果产生影响的非处理因素，即混杂因素或协变量，并应当加以控制。（2）在比较不同DON注射剂量组新西兰家兔膝关节软骨和滑膜的形态学改变的研究中，处理因素为DON注射，根据专业知识，除DON外，与膝关节软骨和滑膜形态学改变有关的因素还有遗传因素、性别、年龄、营养状况等。那么该研究的非处理因素即家兔的窝别、年龄、性别、营养状况等也可能影响家兔膝关节和滑膜的形态学改变，同时还应注意不同组的家兔放置的环境、温度、湿度、通风、可活动空间等均应相同。（三）处理因素第一节实验设计的基本内容与原则1.基本概念处理因素施加给实验对象后产生的效应或反应称为实验效应，实验效应可用观察指标来度量。按性质分类，观察指标有主观指标和客观指标之分。主观指标是实验对象的主观感觉、记忆、陈述或观察者的主观判断结果。客观指标是借助仪器设备测量所得，相较于主观指标，客观指标具有较好的真实性和可靠性。另外有些指标虽然是客观的，但判断上受到主观因素的影响，这样的指标可称为半客观指标。（四）试验效应第一节实验设计的基本内容与原则2.注意事项（1）具有较高的准确度与精密度：①准确度(accuracy)：指观察值与真实值的接近程度，主要受系统误差（偏倚）的影响，通常用绝对误差和相对误差来表示观察指标准确度的大小。②精密度(precision)：指相同条件下对同一对象的同一指标进行重复观察时，观察值与其均数的接近程度，主要受抽样误差的影响，常用变异系数、标准差、方差等来表示观察指标精密度的大小。准确度与精密度的关系：①精密度是保证准确度的先决条件，精密度不符合要求，表示所测结果不可靠，也就失去了衡量准确度的前提；②精密度高不能保证准确度高，准确的实验一定是精密的，精密的实验不一定准确。观察指标应当既准确又精密。准确度与精密度对应于调查研究中的真实性与可靠性。（四）试验效应第一节实验设计的基本内容与原则2.注意事项（2）具有较高的灵敏度与特异度：①灵敏度(sensitivity)：指用该指标检出真阳性的能力。对于实验研究的观察指标而言，灵敏度是指用该指标检出效应差异的能力，灵敏度高的指标能将处理因素的效应更好地显示出来。例如，研究某药治疗缺铁性贫血的效果，血清铁蛋白较临床症状、体征和血红蛋白含量更为灵敏。②特异度(specificity)：指用该指标检出真阴性的能力。对于实验研究的观察指标来说，特异度是指用该指标鉴别无效应差异（阴性）的能力，特异度高的指标不易受混杂因素的干扰。例如，研究某药物治疗败血症的效果，白细胞计数较体温的特异度高。灵敏度与特异度的关系：灵敏度高的观察指标，特异度往往较低，而特异度较高的指标，灵敏度往往较低。在实际工作中，需兼顾灵敏度和特异度，根据研究目的权衡两者的重要性。（四）试验效应第一节实验设计的基本内容与原则1.对照及其主要形式（1）空白对照(blankcontrol)：对照组不接受任何处理，常用于动物实验，在临床试验中主要用于安慰剂及盲法无法执行或执行困难的情况。（2）安慰剂对照(placebocontrol)：安慰剂对照适用于临床试验。安慰剂或称伪药物，是一种无药理作用的制剂，不含试验药物的有效成分，但其外观如剂型、大小、颜色、重量、气味及口味等都与试验药物一样，不能为患者所识别。（3）实验对照(experimentalcontrol)：对照组接受某种与处理因素有关的实验因素。（五）基本原则第一节实验设计的基本内容与原则（4）标准对照(standardcontrol)：用现有公认的标准方法或常规方法作为对照。在实验研究中常用于某种新方法是否能代替传统方法的研究。（5）自身对照(selfcontrol)：对照与试验在同一对象身上进行，如身体对称部位或试验不同阶段分别接受不同的试验因素，一个为对照，一个为试验，比较其差异。（6）相互对照(mutualcontrol)：各实验组（如同一药物的不同剂量组）互为对照，不专门设立对照组。（五）基本原则第一节实验设计的基本内容与原则2.随机与重复随机化使大量难以控制的非处理因素在实验组和对照组中的分布相当。根据是否按照混杂因素对实验对象进行分层，随机分组的方法可以分为完全随机和分层随机两种。完全随机：直接对实验对象进行随机分组即可。分层随机：若先按混杂因素将实验对象分成若干层，再对每一层内的实验对象进行随机分组。（五）基本原则第一节实验设计的基本内容与原则2.随机与重复重复具有3个层面的含义：①整个实验的重复。在实验研究设计中，应确保整个实验在相同的条件下可以重现，从而提高研究结果的可靠性。②多个实验对象进行实验。实验研究要有足够的样本量才可能获得可靠的结论。③同一实验对象的重复观察。由于客观因素、实验对象或实验条件不稳定或有规律的变动时，往往需要对同一实验对象进行多次重复测量，以提高观测结果的精密度。（五）基本原则第一节实验设计的基本内容与原则1.误差来源误差包括随机误差和非随机误差。随机误差是一类不恒定的、随机变化的误差。非随机误差是由各种人为因素或偶然因素造成的。非随机误差也称为系统误差或偏倚。常见的偏倚有：（1）选择偏倚(selectionbias)：由于选择实验对象的方法不正确，或纳入和排除标准不明确而产生的偏倚。（2）测量偏倚(measurementbias)：又称信息偏倚。在实验过程中，由于研究者的主观原因或实验仪器、实验对象的客观原因而产生的观察或测量偏倚。（3）混杂偏倚(confoundingbias)：由于某些非处理因素与处理因素同时并存而影响到观察结果，从而导致处理因素与效应之间的联系被歪曲。（六）质量控制第一节实验设计的基本内容与原则2.质量控制措施（1）设计阶段：明确定义实验对象；正确划分观察范围；避免遗漏研究对象或包含非研究对象；正确选择观察指标；明确定义观察项目；开展预实验，对实验方案进行可行性评估，考察是否合理可行，能否达到预期目的。（2）数据收集阶段：仔细选择与认真培训调查人员。采用盲法测量和收集资料，避免观察者或研究对象的主观因素对研究结果产生影响。采取有效措施减少研究对象的失访，提高其依从性。（3）数据整理分析阶段：检查记录的完整性与正确性；数据双录入，不同人员独立地进行数据整理，并核对结果是否一致；利用计算机程序对数据整理进行核查，针对重要的非研究因素进行分层分析或多因素分析，以调整和控制其对研究结果的影响等。（六）质量控制第二节常用的设计类型及其样本量估计第二节常用的设计类型及其样本量估计1.概念与特点完全随机设计(completelyrandomizeddesign)又称简单随机设计(simplerandomizeddesign)，是采用完全随机化分组方法将同质的实验对象分配到不同的组，各组分别接受不同的处理。各组样本量相等为平衡设计，不等则为非平衡设计。图为完全随机设计分为两组的示意图。完全随机设计的优点是设计简单、易于实施。缺点是样本量较小时，均衡性较差，与随机区组设计相比，效率较低。（一）完全随机设计目标总体纳入标准排除标准实验对象随机化试验组对照组第二节常用的设计类型及其样本量估计2.分组方法观察DON对Wistar幼鼠关节软骨胶原合成和分解代谢的影响。将15只健康Wistar幼鼠，完全随机分为对照