科研方法導論實驗設計4講解課件

1、科研方法導論實驗設計4講解課件科研方法導論實驗設計4講解課件 分類： 實驗研究設計：以動物或人體生物組織、標本研究對象 對象 臨床試驗設計：以人(患者或健康者)為研究對象 研究因素實驗組數(shù)單因素設計：隨機設計、配對設計兩因素設計：配對設計、配伍設計三因素設計: 拉丁設計、youden設計交互作用設計: 析因設計、正交設計兩組比較多組比較多因素多水平研究 分類：單因素設計：隨機設計、配對設計兩因素設計：配對設計完全隨機設計(randomized controltrial test RCT ）科研方法導論實驗設計4講解課件基本方法：單因素研究實驗對象隨機分組,實驗順序隨機分組每組例數(shù)可相等或不相等

2、 研究對象總體或目標人群研究對象樣本隨機抽樣非隨機抽樣隨 機 分 配對照組處理組1處理組k比較效應指標平行觀察基本方法：研究研究對象隨機抽樣非隨機抽樣隨 機 分 應用范圍 :最常用的一種設計方法非實驗性因素對效應指標影響不是很大 實驗性因素對效應指標的影響在實驗組和對照組能均衡無法采用配對或配伍設計的實驗 應用范圍 : 優(yōu)缺點優(yōu)點：實驗設計和統(tǒng)計分析簡單，缺點：一次只能研究一個因素，且所需要的樣本量比較大。因此，設計的效率不高 優(yōu)缺點統(tǒng)計分析方法計量指標 如果是兩組計量指標的比較，通常采用t (u ) 檢驗或秩和檢驗；若是多組比較，采用單因素的方差分析和兩兩比較的q 檢驗，也可用秩和檢驗法。計

3、數(shù)或分類指標 如果對病因或危險因素的分析，計算其發(fā)病率、死亡率、并作2檢驗;計算相對危險度及歸因危險度。如果是研究某治療措施的生存時間，可進行n年生存率的計算和平均生存期的比較。統(tǒng)計分析方法隨機對照設計的評價對非研究因素的影響，是否采用分層隨機分配的辦法進行了平衡。（見例）樣本量的估計是否合理，可以通過計算型錯誤的大小和檢驗效能Power值進行評價。是否確定了合理的實驗組數(shù)。隨機對照設計的評價例 有一CRT試驗，是用奧美拉唑、克拉霉素和阿莫西林治療幽門桿菌感染的十二指腸潰瘍及慢性胃炎患者151例，分為三組，見下表： 十二指腸潰瘍及慢性胃炎隨機對照實驗 例 有一CRT試驗，是用奧美拉唑、克拉霉素

4、和阿莫西林治療幽 例如，在比較某腫瘤切除后化療和放療的效果若事先對化療和放療的療效未確定，則應設化療組、放療組、空白組；如果已知化療和放療都有效果，只是想比較兩者何者為優(yōu)，則只需設計化療組和放療組；如果還想了解化療組+放療治療是否療效更好，則應設計空白組、化療組、放療組、化療組+放療組四個組，此時的統(tǒng)計學分析應采用2 2析因設計的分析方法。 例如，在比較某腫瘤切除后化療和放療的效果配對設計matched pairs design科研方法導論實驗設計4講解課件含義與特點： 配對試驗的基本思想是使實驗組和對照組間非試驗因素的條件均衡，使得試驗因素的效應更容易顯示出來，以提高試驗設計的效率，減少樣本

5、例數(shù)的需要量。含義與特點：種類：實驗前后配對 （自身對照試驗 ）異體配對設計種類：實驗前后配對 （自身對照試驗 ）異體配對設計實驗前后配對 比較受試者實驗前后的變量值改變情況 比較同一標本接受兩種不同測定方法的檢查結(jié)果 實驗前后配對 優(yōu)點: 能有效的控制個體間的差異，使得誤差控制在最小的程度 缺點: 受試對象在實驗過程中可能會發(fā)生某些條件的改變 ，會導致實驗前后的條件不一致，產(chǎn)生對實驗結(jié)果的偏性 優(yōu)點:適用的范圍 ：急性和短期的實驗 病情穩(wěn)定的慢性病中觀察短期對癥治療的效果 適用的范圍 ：統(tǒng)計分析方法 ：定量測定指標采用配對t檢驗或符號秩和檢驗 分類指標采用配對2檢驗比較何者方法優(yōu)劣或?qū)嶒炃昂?/p>

6、有無差別 對兩者的吻合程度，可采用Kappa值的一致性檢驗方法。（見例） 統(tǒng)計分析方法 ：例 兩名放射科醫(yī)師對200名棉屑沉著病可疑患者的診斷結(jié)果見表6-3，試判斷兩醫(yī)生的診斷結(jié)果是否具有一致性。 表5.3 200名棉屑沉著病可疑患者的診斷結(jié)果 兩醫(yī)生判斷的一致性可通過計算其Kappa值進行判斷： 例 兩名放射科醫(yī)師對200名棉屑沉著病可疑患者的診斷結(jié)果見PA 兩者實際觀察一致率 PA=A/NPE 期望一致率 PE=E/N本例，PA=（78+56+32）/200=0.83，PE=(8483/200)+(7175/200)+(4542/200)/200=0.355 Kappa0.4即可說明兩者的

7、一直性較好，本例Kappa為0.736，兩醫(yī)師判斷的一致性較好。Kappa值同樣存在抽樣誤差 ，應進行假設檢驗。 PA 兩者實際觀察一致率 PA=A/N異體配對設計heterogeneous paired design科研方法導論實驗設計4講解課件含義及特點：是將受試者按照一定的條件，將條件相同的個體配成對子，在對子內(nèi)按照隨機方法，將一個分配到實驗組，另一個分配到對照組，進行實驗觀察。模式： 研究對象總體或目標人群研究對象實 驗 對 子實驗組對照組隨機分配 配對條件平行觀察實驗結(jié)果含義及特點：研究研實 驗 對 子實驗組對照組隨配平優(yōu)點：異體配對設計可以改善實驗組與對照組的齊同性,能進行同期平行

8、觀察結(jié)果 ；缺點：確定匹配的條件，常見：動物的種屬、品系、性別、體重、窩別、生長天數(shù)作為配對的基本條件 匹配“過頭”等問題應用范圍：急性實驗慢性實驗的研究統(tǒng)計分析： 同自身配對優(yōu)點：配對設計與完全隨機設計的比較 一般來說，配對設計的效率高于完全隨機設計，前提是正確選擇與控制配對的條件，保證對子數(shù)呈正方向變化，否則，完全隨機設計的效率則不一定高 例： r=0.382, t配對=2.676,P0.05。 配對成功配對設計與完全隨機設計的比較 一般來說，配對設計的效率高交叉試驗設計Cross-over design科研方法導論實驗設計4講解課件基本方法：將兩種處理因素在實驗組和對照組間交叉進行 研究

9、對象總體或目標人群研究對象樣本實驗對子實驗組1實驗組2E1E2E3E4洗脫期洗脫期處理A處理B處理A處理B隨機分配基本方法：將兩種處理因素在實驗組和對照組間交叉進行研究研究實適用： 動物研究 臨床研究 尤其是在臨床的慢性病研究 如：高血壓/潰瘍/支氣管哮踹 適用： 優(yōu)點： 不但平衡了個體間的差異（通過配對），并平衡了實驗順序間的差異（通過處理因素的交叉進行）。因此，有效地提高了設計效率，并較大程度地節(jié)約了樣本含量。 科研方法導論實驗設計4講解課件統(tǒng)計分析方法： 1. 結(jié)果觀察為計數(shù)（分類）資料：整理為配對的四格表資料。采用配對卡方檢驗分析。 例:選擇有輸血發(fā)熱反應而需要繼續(xù)輸血的住院病例，隨機

10、分為兩組，第一組36例，在輸血前先用鹽酸苯海拉明40mg肌注，無論有無預防發(fā)熱反應的效果，在下次輸血前均改用氫化考的松50mg靜滴。第2組37例，在輸血前先用氫化考的松靜滴，待下次輸血前改用苯海拉明肌注。見表： 經(jīng)配對卡方檢驗，2=3。68，P0.05,說明兩種藥物在預防輸血發(fā)熱反應效果的差別無顯著性 統(tǒng)計分析方法：2. 結(jié)果觀察為計量資料的，采用方差分析例. 欲比較A、B兩種降壓藥的效果，選擇6對（12例）患者，進行交叉試驗。先采用隨機的方法，將每一對病人到AB組（即先用A藥再用B藥）和BA組（即先用B藥再用A藥）。病人先進行不用任何降壓藥的四周觀察，如連續(xù)三次血壓都穩(wěn)定在一個水平后，AB組

11、病人開始服用A藥，BA組病人開始服用B藥。治療四周后，測定病人的血壓值。再經(jīng)過四周的洗脫期，待血壓穩(wěn)定，AB組病人開始服用B藥，BA組病人開始服用A藥。四周治療后，再測定其血壓值。然后統(tǒng)計分析兩組血壓值的改變，判斷兩種降壓藥的效果 2. 結(jié)果觀察為計量資料的，采用方差分析A、B兩種療法治療高血壓下降值（mmHg)A、B兩種療法治療高血壓下降值（mmHg) 分析： 在交叉設計的方差分析中，可以將數(shù)據(jù)的總變異分解為處理間、階段間、個體間與誤差項，并分別判斷三種變異對實驗效應的影響。 分析： 分析步驟： 假設： 不同個體間差別無顯著性 不同階段差別無顯著性 不同處理因素間差別無顯著性 F個體=Ms個

12、體/Ms誤差 F階段=Ms階段/Ms誤差 F處理=Ms處理/Ms誤差 二、變異的分解 1、常規(guī)的方差分析法： SS總= SS個體+ SS階段+ SS處理+ SS誤 總=n-1 個體=配對數(shù)-1 階段=階段數(shù)-1 處理=處理因數(shù)-1 上例： SS總=232+102+262+132-(4562/24)=1338 SS個體=1/2(442+212+31)-(4562/24)=1008 ss階段=1/12(2402+2162)-(4562/24)=24 SS處理=1/12(2522+2042)-(4562/24)=96 SS誤差=1333-1008-24-96=210上例： 從上面方差分析的結(jié)果可見，

13、不同的治療方案，不同的階段，差別都沒有統(tǒng)計學意義，只是個體間差別具有統(tǒng)計學意義。交叉設計的方差分析表（常規(guī)方法） 從上面方差分析的結(jié)果可見，不同的治療方案，不同的階 2、差數(shù)法：通過相減求出差數(shù)，“消除”順序和個體間的效應，只剩下處理的效應。 SS總= SS處理+ SS誤 =I-1 =K-1 =I-K 差數(shù)法：差數(shù)法：1.計算效正數(shù)： C=(d)2=36+(-12)2/12=482. 計算總的離均差平方和： SS總=d2-C=660-48=6123. 計算組間離均差平方和 SS組間=1/6(d1)2+(d2)2-C =1/6362+(-12)2-48=192 方差分析表(差數(shù)法)1.計算效正數(shù)

14、：方差分析表(差數(shù)法)交叉設計應用的注意事項： 1在交叉設計中，兩種處理因素的效應不能有蓄積作用和(或)交互作用，否則，觀察指標會有“滯溜”效應。2處理之間應有時間的間隔，間隔時間的長短取決于處理因素對實驗對象的作用時間。如藥物在體內(nèi)的排泄時間(washout time )，通常稱為洗脫期。洗脫期的長短通常認為應大于68個半衰期。3交叉設計不適合用于有自愈趨向或病程短的臨床研究。否則，難于判定是自愈的結(jié)果還是藥物的作用。在慢性病的研究中，也要注意整個研究過程中保持條件的一致性。4在臨床研究中，交叉試驗應當采用盲法。使觀察者和患者不知道在哪個階段使用有效藥物，以免產(chǎn)生偏倚。交叉設計應用的注意事項

15、： 例. 欲比較A、B兩種降壓藥的效果，選擇10對（20例）患者，進行交叉試驗。先采用隨機的方法，將每一對病人到AB組（即先用A藥再用B藥）和BA組（即先用B藥再用A藥）。病人先進行不用任何降壓藥的四周觀察，如連續(xù)三次血壓都穩(wěn)定在一個水平后，AB組病人開始服用A藥，BA組病人開始服用B藥。治療四周后，測定病人的血壓值。再經(jīng)過四周的洗脫期，待血壓穩(wěn)定，AB組病人開始服用B藥，BA組病人開始服用A藥。四周治療后，再測定其血壓值。然后統(tǒng)計分析兩組血壓值的改變，判斷兩種降壓藥的效果。 例. 欲比較A、B兩種降壓藥的效果，選擇10配伍設計randomized block design科研方法導論實驗設計

16、4講解課件配伍設計 是配對設計的擴大。或者說配對設計是配伍設計的最簡單形式，在配伍設計中，是將幾個條件相同的受試對象劃成一個配伍組或區(qū)組，配伍組中觀察對象的數(shù)量，取決于對比組的組數(shù)，或是對比組數(shù)的倍數(shù)，將配伍組中的受試對象采用隨機的方法，分配到不同的對比組中，以增強各對比組的均衡性。配伍設計 設計模式：研究對象總體或目標人群研究對象配伍組設定配伍條件實驗組1實驗組2隨機分配:實驗組K年齡、性別、營養(yǎng)狀況等設計模式：研究研究配伍組設實驗組1實驗組2隨:實驗組K年齡、 特 點:配伍設計屬于兩因素設計，它不僅可分析處理因素（因素）間的實驗效應有無顯著性，同時可分析配伍組（因素）間的實驗效應有無顯著性

17、在樣本的分配上，不僅各處理組的樣本量相等，而且，每個區(qū)組所含的受試對象例數(shù)與處理組數(shù)相等或是倍數(shù)由于配伍組內(nèi)各實驗對象條件相同或基本一致，組間的均衡性較好。因而抽樣誤差較小，實驗效率較高。 特 點:應用范圍 不管是在動物性實驗還是臨床研究中，凡是要進行兩種處理因素、每個處理因素有兩個或兩個以上水平的研究均可以采用配伍設計的方法。如觀察不同藥物（因素）和不同病程（因素）對患者的治療效果（試驗效應）的影響；中西藥結(jié)合治療肝炎病人中，研究不同方劑（因素）和不同證型（因素）的的療效（試驗效應）。配伍設計是醫(yī)學研究中常用的一種設計方案。應用范圍統(tǒng)計分析對于計量資料 通常采用兩因素的方差分析(配伍方差分析

18、)，但需注意應用方差分析的前提是：觀察值呈正態(tài)分布并方差齊性。通過數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的辦法使之達到方差齊性和正態(tài)分布。在兩因素的方差分析中，是將數(shù)據(jù)的總變異分解為處理因素(因素)的變異和配伍組(因素)的變異，再分別的判斷處理因素和配伍因素對實驗，效應的影響效應。統(tǒng)計分析對于觀察指標是計數(shù)資料 通?？刹捎门湮榈闹群蜋z驗，或?qū)⒁月首鳛橛^察指標的通過反正弦變換后，采用方差分析進行分析。對于觀察指標是計數(shù)資料 通?？刹捎门湮榈闹群蜋z驗，或?qū)⒁月蕬玫淖⒁馐马? 在配伍設計中，通常是將主要研究的因素（處理因素）作為第一因素，而將次要因素作為第二因素或作為配伍的條件。 正確確定配伍條件是保證配伍設計成功的前提，通常

19、是將對結(jié)果影響較大的因素作為配伍的條件，配伍的條件不能太多，否則，難以劃分配伍組。特別要注意的是不能將處理因素作為配伍條件而出現(xiàn)配伍“過頭”的情況。 配伍設計研究在動物性實驗中容易實施，特別是用小動物進行實驗時，常將動物的品種、窩別、性別、體重、生長的天數(shù)作為劃分配伍組的條件。應用的注意事項: 拉丁方設計(Latin square design ) 含義:是一種用于安排三因素多水平對研究對象作用的一種設計方案。由于這種設計方案是按r個拉丁字母排成r r的方陣，因此，又稱為r方拉丁設計。各因素的水平數(shù)必須要相等，且各因素間不能有交互作用 拉丁方設計是一種設計效率高，節(jié)約樣本量的一種設計方案。含義

20、:模式 : 模式 :應用范圍 :凡三因素實驗，若每個因素的水平數(shù)相等，均可采用拉丁方設計 如:細胞培養(yǎng)、動物實驗、化學分析的條件 應用范圍 :設計步驟 : 根據(jù)因素的水平數(shù)r選擇標準拉丁方對標準方進行隨機化，使得在每一行、每一列沒有字母的重復出現(xiàn)規(guī)定行、列、和字母所代表的因素和水平設計步驟 : 例如: 研究不同的蛇毒成份對不同瘤株的抑瘤作用，設計三個處理因素：1）四種蛇毒成分 2）四種不同的瘤株 3）四種蛇毒的計量 ,分別為:瘤株種類 A(肉瘤) B(肝肉瘤) C(艾氏腹水瘤) D(網(wǎng)狀細胞瘤)蛇毒成份(峰) IV蛇毒劑量 1(0) 2 (0.03) 3 (0.05) 4(0.075)(mg/

21、kg)例如:A B C D C B A DA B C D 隨機化 A D C BA B C D D A B CA B C D B C D A 行： 蛇毒劑量 (mg/kg) (1、2、3、4) 列： 蛇毒成份（峰）（、IV）字母： 瘤株種類(A、B、C、D) A B C D 表中，第一行第一列記錄接種艾氏腹水瘤株勻漿的小白鼠注射蛇毒成份峰計量0.000mg/kg（即空白實驗對照）解剖所稱瘤重。第一行第二列記錄接種肝肉瘤株勻漿的小白鼠注射蛇毒成份峰計量為0.000mg/kg解剖所稱瘤重，以次類推。根據(jù)以上的安排，進行實驗和數(shù)據(jù)的收集 表中，第一行第一列記錄接種艾氏腹水瘤株勻漿的小白鼠注射拉丁方設

22、計的統(tǒng)計分析 :SS總=SS行+SS列+SS處理+SS剩余假設：H0：(1) 不同劑量組之間瘤體生長的總體均數(shù)相等； (2) 不同蛇毒成份之間瘤體生長的總體均數(shù)相等。 (3) 不同瘤株之間瘤體生長的總體均數(shù)相等。 H1：(1) 不同劑量組之間瘤體生長的總體均數(shù)不全相等； (2) 不同蛇毒成份之間瘤體生長的總體均數(shù)不全相等。 (3) 不同瘤株之間瘤體生長的總體均數(shù)不全相等。 拉丁方設計的統(tǒng)計分析 :SS總=SS行+SS列+SS處理+S科研方法導論實驗設計4講解課件拉丁方設計的注意事項: 在拉丁方設計中，不但需要對樣本的進行隨機分配，對處理因素的各水平安排和拉丁字母關(guān)系也應進行隨機分配。 三個因素

23、之間不能有交互作用 可以通過重復的辦法對誤差項進行估計，以提高結(jié)論的可靠性。拉丁方設計的注意事項: 正交實驗設計（orthogonal experiment design） 科研方法導論實驗設計4講解課件正交實驗設計 是一種高效、快速的研究多因素多水平設計方案。它通過一套規(guī)格化的正交表和交互作用表，對研究因素進行合理安排，并對結(jié)果進行統(tǒng)計分析，以獲得相關(guān)的信息。 正交實驗設計含義與特點 : 正交表的表達形式為Ln( tc )。L為正交表的代號，n為實驗次數(shù)，t為水平數(shù)，c是能安排的因素個數(shù)。如L8( 27 )，表示對7個因素，每個因素安排2個水平，做8次實驗的正交表。含義與特點 :每一列中不同

24、的數(shù)字出現(xiàn)的次數(shù)是相等的次數(shù)是相等的，上表中“1”、“2”在任意一列出現(xiàn)的次數(shù)都一樣；任意兩列同一行數(shù)字配搭均勻，如在1、2列中，共有8對，1.1、1.1、1.2、1.2、2.1、2.1、2.2、2.2。它體現(xiàn)了正交表的均衡性。每一張正交表都對應了一張交互作用表，它是專門用來安排交互作用的 每一列中不同的數(shù)字出現(xiàn)的次數(shù)是相等的次數(shù)是相等的，上表中“ 在正交表中的任意兩列的交互作用都出現(xiàn)在其他列。如第1、2兩列的交互作用表現(xiàn)在第三列。這樣的安排可以使交互作用的效果能獨立進行分析。 在正交表中的任意兩列的交互作用都出現(xiàn)在其他列。如第1、正交實驗的表頭設計: 正交表的表頭設計就是根據(jù)研究目的、研究的因素個數(shù)和研究因素的水平數(shù)選擇正交表并安排實驗因素和交互作用項的過程，即是正交設計方案?？蒲蟹椒▽д搶嶒炘O計4講解課件表頭設計主要步驟是：（1）根據(jù)實驗因素的個數(shù)、交互作