科研設(shè)計(jì)緒論

醫(yī)學(xué)科研設(shè)計(jì)和統(tǒng)計(jì)分析衛(wèi)生統(tǒng)計(jì)學(xué)教研室陸健表1-1科學(xué)研究和日常工作的關(guān)系比較內(nèi)容科學(xué)研究日常工作目的明確的研究目的完成平時(shí)工作條件標(biāo)準(zhǔn)、統(tǒng)一滿足要求數(shù)據(jù)完整允許缺項(xiàng)醫(yī)學(xué)科研的特點(diǎn)研究條件不易控制；實(shí)驗(yàn)的周期一般較長(zhǎng)；變異程度大；倫理和道德。醫(yī)學(xué)科研中的兩種類型調(diào)查研究(survey):無(wú)干預(yù)實(shí)驗(yàn)研究(experiment):有干預(yù)

試驗(yàn)(trial)：以人為對(duì)象醫(yī)學(xué)科研的基本程序科研選題科研設(shè)計(jì)（專業(yè)設(shè)計(jì)和統(tǒng)計(jì)設(shè)計(jì)）實(shí)施方法統(tǒng)計(jì)分析科研結(jié)論研究設(shè)計(jì)中的兩個(gè)部分專業(yè)設(shè)計(jì)統(tǒng)計(jì)設(shè)計(jì)：通過(guò)合理的、系統(tǒng)的安排，達(dá)到控制系統(tǒng)誤差，以消耗最少的人力、物力和時(shí)間，獲得可靠的信息和結(jié)論。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)(experimentaldesign)通過(guò)精心計(jì)劃，包括對(duì)象的選擇、處理因素的分配、指標(biāo)的測(cè)量和資料的分析來(lái)保證組間對(duì)象和實(shí)驗(yàn)條件是均衡的，實(shí)驗(yàn)結(jié)果有較好的可比性，并且較好地控制誤差，用較小的樣本獲取可靠的結(jié)論。實(shí)驗(yàn)研究的分類：動(dòng)物實(shí)驗(yàn)(animalexperiment)臨床試驗(yàn)(clinicaltrial)社區(qū)干預(yù)試驗(yàn)(communityintervenestudy)動(dòng)物實(shí)驗(yàn)的作用把動(dòng)物作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，在動(dòng)物身上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，再根據(jù)獲得的結(jié)果逐步過(guò)渡到人體上?？裳芯恳恍┎灰嗽谌梭w上進(jìn)行的研究，如致畸、致癌、致突變等。動(dòng)物實(shí)驗(yàn)可使研究設(shè)計(jì)更嚴(yán)密，組間可比性更強(qiáng)。動(dòng)物實(shí)驗(yàn)的局限性結(jié)果不能直接用于人體；動(dòng)物種系間存在生物學(xué)特異性；動(dòng)物實(shí)驗(yàn)容易出現(xiàn)意外死亡，需根據(jù)需要決定舍取數(shù)據(jù)。臨床試驗(yàn)以人體作為研究對(duì)象（主要是病人），以臨床為基礎(chǔ)對(duì)治療效果作為評(píng)價(jià)。臨床試驗(yàn)應(yīng)對(duì)人體沒(méi)有身心損傷。除了觀察短期的療效外，還應(yīng)關(guān)注遠(yuǎn)期療效和不良反應(yīng)。進(jìn)行臨床試驗(yàn)的注意事項(xiàng)設(shè)立合理的對(duì)照；評(píng)價(jià)療效時(shí)注意避免病人和醫(yī)生的主觀偏見(jiàn)。保持基線的均衡。社區(qū)干預(yù)試驗(yàn)以社區(qū)人群作為研究對(duì)象；一般持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)；目的是觀察某項(xiàng)保護(hù)措施對(duì)抑制某種危險(xiǎn)因素致病的效果。三個(gè)基本要素：處理因素(studyfactor,treatment)受試對(duì)象(studysubject)實(shí)驗(yàn)效應(yīng)(experimentaleffect)處理因素研究者根據(jù)研究目的欲施加或欲觀察的能作用于受試對(duì)象并引起直接或間接效應(yīng)的因素。處理因素可以是主動(dòng)施加的某種外部干預(yù)或措施，也可以是客觀存在的因素。非處理因素與處理因素相對(duì)應(yīng)的，也能使受試對(duì)象產(chǎn)生效應(yīng)的因素，混雜在處理因素中間，會(huì)干擾實(shí)驗(yàn)效應(yīng)，所以又稱混雜因素（confoundingfactor）確定處理因素應(yīng)注意的問(wèn)題抓住主要因素，一次研究處理因素不宜過(guò)多，否則分組太多，每組需要的例數(shù)就要增加；控制非處理因素，使其在實(shí)驗(yàn)組和對(duì)照中達(dá)到均衡，消除其對(duì)處理因素的干擾作用；處理因素標(biāo)準(zhǔn)化。受試對(duì)象處理因素作用的客體，是根據(jù)研究目的而確定的觀察目標(biāo)總體?？梢允侨?、動(dòng)物，也可以是生物材料，必須保持同質(zhì)性。受試對(duì)象的基本條件對(duì)處理因素敏感反應(yīng)穩(wěn)定統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)效應(yīng)處理因素作用于受試對(duì)象的反應(yīng)和結(jié)果，通過(guò)觀察指標(biāo)來(lái)表達(dá)。選擇指標(biāo)的依據(jù)：客觀性、特異性和敏感性。區(qū)分主要指標(biāo)和次要指標(biāo)?？陀^性：主觀指標(biāo)：由病人回答或醫(yī)生判斷來(lái)描述的觀察結(jié)果，容易受到研究者和受試對(duì)象心理因素的影響?？陀^指標(biāo)：借助儀器等手段進(jìn)行測(cè)量來(lái)反映觀察結(jié)果，人為影響因素較少。盡量選用客觀的、定量的指標(biāo)。特異性表示觀察指標(biāo)能鑒別真陰性的能力。特異性高的指標(biāo)容易揭示處理因素的作用，不易受到混雜因素的干擾，可減少假陽(yáng)性。當(dāng)指標(biāo)出現(xiàn)假陽(yáng)性會(huì)導(dǎo)致受試者很大痛苦或經(jīng)濟(jì)損失時(shí)，或?yàn)榱舜_診某病，需選用特異性高的指標(biāo)。敏感性表示該指標(biāo)檢出真陽(yáng)性的能力。敏感性高的指標(biāo)能使處理因素作用更好地顯示出來(lái)，主要可減少假陰性的出現(xiàn)。當(dāng)疾病的漏診將導(dǎo)致嚴(yán)重后果，必須選用敏感性高的指標(biāo)。三個(gè)基本要素：處理因素(studyfactor,treatment)受試對(duì)象(studysubject)實(shí)驗(yàn)效應(yīng)(experimentaleffect)處理因素研究者根據(jù)研究目的欲施加或欲觀察的能作用于受試對(duì)象并引起直接或間接效應(yīng)的因素。處理因素可以是主動(dòng)施加的某種外部干預(yù)或措施，也可以是客觀存在的因素。非處理因素與處理因素相對(duì)應(yīng)的，也能使受試對(duì)象產(chǎn)生效應(yīng)的因素，混雜在處理因素中間，會(huì)干擾實(shí)驗(yàn)效應(yīng)，所以又稱混雜因素（confoundingfactor）確定處理因素應(yīng)注意的問(wèn)題抓住主要因素，一次研究處理因素不宜過(guò)多，否則分組太多，每組需要的例數(shù)就要增加；控制非處理因素，使其在實(shí)驗(yàn)組和對(duì)照中達(dá)到均衡，消除其對(duì)處理因素的干擾作用；處理因素標(biāo)準(zhǔn)化。受試對(duì)象處理因素作用的客體，是根據(jù)研究目的而確定的觀察目標(biāo)總體?？梢允侨恕?dòng)物，也可以是生物材料，必須保持同質(zhì)性。受試對(duì)象的基本條件對(duì)處理因素敏感反應(yīng)穩(wěn)定統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)效應(yīng)處理因素作用于受試對(duì)象的反應(yīng)和結(jié)果，通過(guò)觀察指標(biāo)來(lái)表達(dá)。選擇指標(biāo)的依據(jù)：客觀性、特異性和敏感性。區(qū)分主要指標(biāo)和次要指標(biāo)?？陀^性：主觀指標(biāo)：由病人回答或醫(yī)生判斷來(lái)描述的觀察結(jié)果，容易受到研究者和受試對(duì)象心理因素的影響。客觀指標(biāo)：借助儀器等手段進(jìn)行測(cè)量來(lái)反映觀察結(jié)果，人為影響因素較少。盡量選用客觀的、定量的指標(biāo)。特異性表示觀察指標(biāo)能鑒別真陰性的能力。特異性高的指標(biāo)容易揭示處理因素的作用，不易受到混雜因素的干擾，可減少假陽(yáng)性。當(dāng)指標(biāo)出現(xiàn)假陽(yáng)性會(huì)導(dǎo)致受試者很大痛苦或經(jīng)濟(jì)損失時(shí)，或?yàn)榱舜_診某病，需選用特異性高的指標(biāo)。敏感性表示該指標(biāo)檢出真陽(yáng)性的能力。敏感性高的指標(biāo)能使處理因素作用更好地顯示出來(lái)，主要可減少假陰性的出現(xiàn)。當(dāng)疾病的漏診將導(dǎo)致嚴(yán)重后果，必須選用敏感性高的指標(biāo)。幾種常見(jiàn)的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)單因素設(shè)計(jì)方案完全隨機(jī)設(shè)計(jì)隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)拉丁方設(shè)計(jì)幾種常見(jiàn)的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)多因素設(shè)計(jì)方案析因設(shè)計(jì)正交設(shè)計(jì)

裂區(qū)設(shè)計(jì)嵌套設(shè)計(jì)交叉設(shè)計(jì)重復(fù)測(cè)量設(shè)計(jì)完全隨機(jī)設(shè)計(jì)

（completelyrandomdesign）影響實(shí)驗(yàn)效應(yīng)的因素只有1個(gè)。將受試對(duì)象完全隨機(jī)地分配到不同的處理組中，施加處理因素并觀察處理效應(yīng)。不同類別的比較也屬于完全隨機(jī)設(shè)計(jì)。保證受試對(duì)象進(jìn)入各處理組的概率完全一樣。換句話說(shuō)，就是將受試對(duì)象完全隨機(jī)地分配到各個(gè)處理組中。完全隨機(jī)設(shè)計(jì)特點(diǎn)：設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，統(tǒng)計(jì)分析簡(jiǎn)單；處理因素可多個(gè)；對(duì)實(shí)驗(yàn)對(duì)象要求較高，具備較好的同質(zhì)性；抽樣誤差較大，效率低于區(qū)組設(shè)計(jì)。完全隨機(jī)設(shè)計(jì)資料格式1水平2水平3水平……k水平X11X21X31……Xk1X12X22X32……Xk2………………………………處理因素(分組)i=1,2,……k樣本例數(shù)j=1,2,…,nA組B組C組42.2930.0415.8635.0535.2622.81………………51.3326.5817.7243.1129.9621.52均數(shù)47.1429.3222.01表1三組新生兒臍血胰島素濃度（nmol/L）完全隨機(jī)分組編號(hào)123……282930隨機(jī)數(shù)136799……497359序號(hào)52130……122217組別ACC……BCB分段分組編號(hào)123456……隨機(jī)數(shù)136799822555……序號(hào)146523……組別ABCCAB……完全隨機(jī)設(shè)計(jì)－統(tǒng)計(jì)分析方法定量資料參數(shù)法兩個(gè)樣本比較：t檢驗(yàn)多個(gè)樣本比較：方差分析兩兩比較：SNK，DUNNETT，LSD等非參數(shù)法兩個(gè)樣本比較：Wilcoxonranksumtest多個(gè)樣本比較：Kruskal-Wallistest兩兩比較：Nemenyi法、t檢驗(yàn)法完全隨機(jī)設(shè)計(jì)－統(tǒng)計(jì)分析方法等級(jí)資料兩個(gè)樣本比較：Wilcoxonranksumtest多個(gè)樣本比較：Kruskal-Wallistest兩兩比較：Nemenyi定性資料兩個(gè)樣本比較：四格表2檢驗(yàn)或確切概率法多個(gè)樣本比較：R×C表2檢驗(yàn)、CMH檢驗(yàn)兩兩比較：四格表分割，降解完全隨機(jī)設(shè)計(jì)－統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果表2完全隨機(jī)設(shè)計(jì)資料的方差分析表變異來(lái)源SSDFMSFP組間3342.1821671.0930.10<0.0001組內(nèi)1499.2227

55.53總4841.4029隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)

（randomizedblockdesign）又稱配伍組設(shè)計(jì)。影響實(shí)驗(yàn)效應(yīng)的因素為2個(gè)。設(shè)計(jì)方案將受試對(duì)象按某種性質(zhì)（或?qū)傩裕┫嗤蛳嘟呓M成b個(gè)區(qū)組（配伍組），每個(gè)區(qū)組中的受試對(duì)象分別隨機(jī)分配到k個(gè)處理組中去。隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)特點(diǎn)：同時(shí)分析兩個(gè)因素：處理和區(qū)組隨機(jī)分配每個(gè)區(qū)組內(nèi)的受試對(duì)象每個(gè)區(qū)組的受試對(duì)象數(shù)量相同，且同質(zhì)性好控制非實(shí)驗(yàn)因素的影響，突出處理因素的作用，檢驗(yàn)效能較完全隨機(jī)設(shè)計(jì)高較難找到合適的配伍隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)資料格式區(qū)組ABC均數(shù)164.96109.28134.32102.85261.12103.06119.6694.61970.59116.27141.17109.341058.3396.13116.8390.43均數(shù)63.75106.19128.0099.31表3三組豚鼠子宮濕重（g）隨機(jī)區(qū)組分組編號(hào)123……隨機(jī)數(shù)529……序號(hào)213……組別BAC……隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)－統(tǒng)計(jì)分析方法定量資料參數(shù)法兩樣本比較：配對(duì)t檢驗(yàn)多樣本比較：方差分析兩兩比較：SNK，DUNNETT，LSD等非參數(shù)法兩樣本比較：Wilcoxonsignedranktest多樣本比較：Freidmantest兩兩比較：Nemenyi法、t檢驗(yàn)法隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)－統(tǒng)計(jì)分析方法等級(jí)資料兩個(gè)樣本比較：Wilcoxonranksumtest多個(gè)樣本比較：Fredmantest兩兩比較：Nemenyi法、t檢驗(yàn)法定性資料兩個(gè)樣本比較：配對(duì)四格表2檢驗(yàn)多個(gè)樣本比較：R×C表2檢驗(yàn)、CMH檢驗(yàn)兩兩比較：四格表分割，降解隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)－統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果表4隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)資料的方差分析表變異來(lái)源SSDFMSFP處理組間8524.8524262.43341.66<0.0001區(qū)組間660.423220.1417.12<0.0001誤差74.86612.86總9260.1211拉丁方設(shè)計(jì)

（latinsquaredesign）設(shè)計(jì)方案當(dāng)影響實(shí)驗(yàn)效應(yīng)的因素2個(gè)以上時(shí)，而且影響因素的水平數(shù)是相同的，可安排每個(gè)因素的每個(gè)水平組合作為一次處理。例如，影響皰疹大小因素有3個(gè)：家兔的種類、注射部位、不同藥物。每個(gè)因素都有5個(gè)水平數(shù)，則可以安排5×5×5的拉丁方設(shè)計(jì)。拉丁方設(shè)計(jì)步驟行代表一個(gè)因素，如家兔編號(hào)列代表一個(gè)因素，如注射部位格中字母代表一個(gè)因素，如注射藥物主要分析的因素以拉丁字母表示拉丁方設(shè)計(jì)步驟隨機(jī)排列拉丁方的行、列產(chǎn)生隨機(jī)數(shù)，進(jìn)行隨機(jī)數(shù)排序和行列對(duì)調(diào)。如，先產(chǎn)生行隨機(jī)數(shù)：55、86、34、58，則排序順序?yàn)?、4、1、3，則安排第2行和第4行對(duì)調(diào)，第1行和第3行對(duì)調(diào)；列的排列類似。隨機(jī)分配處理因素的水平假定水平1～5分別對(duì)應(yīng)甲～戊五種藥物，先產(chǎn)生隨機(jī)數(shù)，排序后確定格中字母分別對(duì)應(yīng)的水平如，產(chǎn)生5個(gè)隨機(jī)數(shù)95、18、80、63、42，排序后為5、1、4、3、2，則分別說(shuō)明A對(duì)應(yīng)戊，B對(duì)應(yīng)甲，……。拉丁方設(shè)計(jì)步驟ABCDEBCDEACDEABDEABCEABCDABCDEDEABCCDEABBCDEAEABCD2、4行對(duì)調(diào)CDEABDEABCABCDEBCDEAEABCD1、3行對(duì)調(diào)1、4列對(duì)調(diào)ADECBBEADCDBCAEECDBACABED2、3列對(duì)調(diào)AEDCBBAEDCDCBAEEDCBACBAED表5拉丁方設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果家兔編號(hào)注射部位123451(戊)413(乙)47(丙)132(丁)230(甲)182(甲)31(戊)415(乙)70(丙)156(丁)2303(丙)126(丁)253(甲)51(戊)433(乙)764(乙)73(丙)126(丁)291(甲)60(戊)4535(丁)210(甲)58(戊)423(乙)81(丙)140拉丁方設(shè)計(jì)－統(tǒng)計(jì)分析方法通常拉丁方設(shè)計(jì)主要分析定量資料方差分析表6拉丁方設(shè)計(jì)資料的方差分析表變異來(lái)源SSDFMSFP行(家兔)2845.844711.462.530.0957列（部位）2000.244500.061.780.1983字母（藥物）488202.644122050.66433.63<0.0001誤差3377.5212281.46總496426.2424析因設(shè)計(jì)

（factorialdesign）設(shè)計(jì)方案將兩個(gè)或多個(gè)實(shí)驗(yàn)因素的各水平進(jìn)行全面組合的實(shí)驗(yàn)，每種組合安排若干個(gè)受試對(duì)象經(jīng)。能夠分析各實(shí)驗(yàn)因素的單獨(dú)效應(yīng)、主效應(yīng)和因素間的交互作用。2×2析因設(shè)計(jì)實(shí)例不用甲藥（a1）使用甲藥（a2）不用乙藥（b1）使用乙藥（b2

）不用乙藥（b1）使用乙藥（b2

）0.390.671.351.760.710.771.311.480.560.701.031.760.390.741.061.970.430.871.551.69X=0.496X=0.750X=1.260X=1.732表7不同治療組別膽固醇的降低量（mmol/L）表8兩因素兩水平析因設(shè)計(jì)B因素A因素平均差值不用甲藥（a1）使用甲藥（a2）不用乙藥(b1)a1b1(0.496)a2b1(0.750)0.6230.254使用乙藥(b2)a1b2(1.260)a2b2(1.732)1.4960.472平均0.8781.2410.1600.218差值0.7640.9820.218d1d2表9析因設(shè)計(jì)資料的方差分析表變異來(lái)源SSdfMSFP總4.94019A因素主效應(yīng)3.811

13.811148.13<0.0001B因素主效應(yīng)0.659

10.65925.610.0001AB交互作用0.059

10.0592.310.1481誤差0.412160.026正交設(shè)計(jì)

（orthogonaldesign）設(shè)計(jì)方案當(dāng)影響實(shí)驗(yàn)效應(yīng)的因素較多時(shí)，安排每個(gè)因素每個(gè)水平組合作為一次處理，則處理組別多，可分析的交互作用也較多。如，有4個(gè)因素（A、B、C、D），每個(gè)因素有2個(gè)水平，則需安排2×2×2×2＝16個(gè)組別，交互作用有AB，AC，AD，BC，BD，CD，ABC，ABD，BCD，ABCD。正交設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)方案多個(gè)處理組是各因素各水平的部分組合，或稱析因設(shè)計(jì)的部分實(shí)施；能成倍地減少試驗(yàn)次數(shù)；以犧牲分析各因素交互作用為代價(jià)；只分析有意義的主效應(yīng)和部分重要因素的一階交互作用。正交設(shè)計(jì)表正交設(shè)計(jì)各因素各水平的組合方式要查正交設(shè)計(jì)表決定。每個(gè)正交表都有一個(gè)表頭符號(hào)LN(mk)，表示正交表有N行k列。N表示實(shí)驗(yàn)次數(shù)，m表示各因素的水平數(shù)，k表示最多可安排的因素個(gè)數(shù)（交互作用當(dāng)作因素）。正交設(shè)計(jì)的原則各實(shí)驗(yàn)因素的水平數(shù)相等二水平：L4(23)、L8(27)、L12(211)、L16(215)；三水平：L9(34)、L18(37)、L27(313)；四水平：L16(45)、L32(49)；五水平：L25(56)、L50(511)。表10L8(27)正交表處理列號(hào)12345671111111121112222312211224122221152121212621221217221122182212112表11L8(27)正交表的表頭設(shè)計(jì)因素個(gè)數(shù)實(shí)施比例列號(hào)123456731ABABCACBCABC41/2ABABCACBCD(CD)(BD)(AD)當(dāng)各因素存在一階交互作用時(shí)，必須采用表頭設(shè)計(jì)的內(nèi)容安排各因素的水平。正交設(shè)計(jì)的原則試驗(yàn)的操作簡(jiǎn)單或希望得到較多的信息，可選擇Ｎ較大的正交表。反之，操作復(fù)雜或成本較高的試驗(yàn)，可選擇Ｎ較小的正交表。分析交互作用（主要是兩因素之間的交互作用），選ｋ較大的正交表。若已知因素間的交互作用很小，則選ｋ較小的正交表。表12微球載藥量的正交試驗(yàn)實(shí)驗(yàn)序號(hào)A因素淀粉濃度B因素淀粉/藥物溶液體積比C因素交聯(lián)劑用量D因素油水相體積比載藥量（ug/mg）1111127.362112228.123121131.064122225.425211122.096212216.577221114.228222216.10變異來(lái)源dfSSMSFP總7