4.實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的基本要素與誤差控制

第四章實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的基本要素及誤差控制前言醫(yī)學(xué)研究中，無(wú)論是臨床試驗(yàn)還是動(dòng)物實(shí)驗(yàn)，都需要根據(jù)研究目的，制定研究方案，進(jìn)行科學(xué)合理的設(shè)計(jì)。周密的研究設(shè)計(jì)，既能夠節(jié)省人力、物力、財(cái)力和時(shí)間，又能夠使研究因素的效應(yīng)得以充分體現(xiàn)，獲得準(zhǔn)確、客觀(guān)的結(jié)果，得出科學(xué)的結(jié)論。

專(zhuān)業(yè)設(shè)計(jì)：選題、查閱文獻(xiàn)、假說(shuō)、預(yù)試驗(yàn)。統(tǒng)計(jì)設(shè)計(jì)：研究對(duì)象（分組、設(shè)置對(duì)照、樣本含量）、處理因素、觀(guān)察指標(biāo)、數(shù)據(jù)的質(zhì)量控制與管理、統(tǒng)計(jì)分析方法。設(shè)計(jì)包括：實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的目的

控制和降低系統(tǒng)誤差對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響，縮小實(shí)驗(yàn)隨機(jī)誤差，以利于進(jìn)行統(tǒng)計(jì)推斷，更確切地回答研究者事先提出的假設(shè)。“Tocallinthestatisticianaftertheexperimentisdonemaybenomorethanaskinghimtoperformapostmortemexamination:hemaybeabletosaywhattheexperimentdiedof”-----FisherRA調(diào)查研究設(shè)計(jì)（無(wú)人為干預(yù)）觀(guān)察性研究實(shí)驗(yàn)研究設(shè)計(jì)（有人為干預(yù)）研究設(shè)計(jì)的基本類(lèi)型動(dòng)物實(shí)驗(yàn)動(dòng)物臨床試驗(yàn)病人社區(qū)干預(yù)試驗(yàn)人群兩種研究類(lèi)型的區(qū)別與聯(lián)系表1兩種研究設(shè)計(jì)類(lèi)型比較實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)（experimentdesign）是指研究人員對(duì)實(shí)驗(yàn)因素做合理的、有效的安排，最大限度地較少實(shí)驗(yàn)誤差，使實(shí)驗(yàn)研究達(dá)到高效、快速和經(jīng)濟(jì)的目的。第一節(jié)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的基本要素實(shí)驗(yàn)的基本要素

實(shí)驗(yàn)的基本要素包括處理因素、受試對(duì)象和實(shí)驗(yàn)效應(yīng)三部分。1.處理因素是指研究者根據(jù)研究目的、能作用于研究對(duì)象并引起直接或間接效應(yīng)的因素。（1）處理因素的數(shù)目和水平處理因素可以是一個(gè)或多個(gè)，即單因素或多因素。同一因素可根據(jù)不同強(qiáng)度分為幾個(gè)水平。舉例：同時(shí)觀(guān)察藥物的兩種給藥方式（口服和肌注）和3種不同劑量的效果，這里給藥方式和劑量為兩個(gè)處理因素，前者為兩水平，后者為三水平。在實(shí)驗(yàn)性研究中，除了實(shí)驗(yàn)因素對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生影響外，還要一些非實(shí)驗(yàn)因素也會(huì)對(duì)研究結(jié)果產(chǎn)生影響，這些非實(shí)驗(yàn)因素也稱(chēng)為混雜因素。例如：研究不同劑量的γ射線(xiàn)照射下，小鼠外周血白細(xì)胞和血小板數(shù)的變化情況。在該實(shí)驗(yàn)中，不同劑量的γ射線(xiàn)為實(shí)驗(yàn)因素，并把γ射線(xiàn)在實(shí)驗(yàn)中的具體取值（2、4、6、8Gy等）稱(chēng)為γ射線(xiàn)的不同水平。在該研究中，小鼠的體重、窩別等不同，有可能會(huì)對(duì)結(jié)果產(chǎn)生較大的影響，故應(yīng)對(duì)接受不同劑量照射的各組小鼠在體重、窩別等方面作有計(jì)劃的安排，以便在進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析時(shí)將其作用排除。這里，小鼠的體重、窩別等并非欲研究的因素，它們?cè)谠搶?shí)驗(yàn)中對(duì)結(jié)果疊加了混雜作用，故稱(chēng)其為非實(shí)驗(yàn)因素或混雜因素。2.受試對(duì)象是研究者施加處理的對(duì)象。可以是人或動(dòng)物，也可以是其他的材料等。實(shí)驗(yàn)對(duì)象要合乎實(shí)驗(yàn)?zāi)康?，例如，病人必須無(wú)合并癥（同質(zhì)性），動(dòng)物必須純種、健康等。如果同質(zhì)性不好，研究的結(jié)論就受到懷疑。

2.受試對(duì)象所選實(shí)驗(yàn)動(dòng)物對(duì)處理因素要敏感，如研究嘔吐現(xiàn)象，一般用貓作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，因?yàn)樨垖?duì)嘔吐反應(yīng)最敏感，且其嘔吐機(jī)制等方面與人類(lèi)最接近；實(shí)驗(yàn)動(dòng)物應(yīng)變異小、穩(wěn)定，最好用同胎動(dòng)物，要有普遍意義或接近人類(lèi)的反應(yīng)。3.實(shí)驗(yàn)效應(yīng)實(shí)驗(yàn)效應(yīng)是受試對(duì)象接受實(shí)驗(yàn)因素后所出現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，通常由各項(xiàng)指標(biāo)來(lái)反映。所選指標(biāo)的好壞直接關(guān)系到研究的成敗，如果指標(biāo)選擇不當(dāng)或測(cè)定指標(biāo)的方法不當(dāng)，未能準(zhǔn)確地反映實(shí)驗(yàn)因素的作用，那么獲得的研究結(jié)果就缺乏科學(xué)性。效應(yīng)指標(biāo)的選擇具體有以下幾點(diǎn)要求：1.客觀(guān)性一般實(shí)驗(yàn)指標(biāo)都屬于觀(guān)察指標(biāo)的范疇，而觀(guān)察指標(biāo)按性質(zhì)分類(lèi)，可分為客觀(guān)指標(biāo)和主觀(guān)指標(biāo)。例如：某種降血脂藥物治療高脂血癥的患者，醫(yī)生可能會(huì)關(guān)注三酰甘油、總膽固醇等指標(biāo)在用藥前后的變化，它們是定量的觀(guān)測(cè)指標(biāo)，屬于客觀(guān)指標(biāo)的范疇。例如：某種降血脂藥物治療高脂血癥的患者，醫(yī)生可能會(huì)關(guān)注三酰甘油、總膽固醇等指標(biāo)在用藥前后的變化，它們是定量的觀(guān)測(cè)指標(biāo)，屬于客觀(guān)指標(biāo)的范疇。評(píng)價(jià)治療某種精神疾病藥物的療效，很多時(shí)候是以患者服藥前后的主觀(guān)感受（如焦慮、緊張的程度等）作為觀(guān)測(cè)指標(biāo)，屬于主觀(guān)指標(biāo)的范疇。主觀(guān)指標(biāo)是由被觀(guān)察者回答或者觀(guān)察者定性判斷來(lái)描述觀(guān)察結(jié)果，這些指標(biāo)易受觀(guān)察者和被觀(guān)察者的心理影響，含有主觀(guān)上的認(rèn)識(shí)，往往帶有隨意性和偶然性，有時(shí)難以保證指標(biāo)的真實(shí)與穩(wěn)定，甚至可能出現(xiàn)誤判。所以醫(yī)學(xué)研究中應(yīng)盡量選用客觀(guān)的、定量的指標(biāo)來(lái)反映實(shí)驗(yàn)效應(yīng)。2.準(zhǔn)確性選用的指標(biāo)盡量精確，精確性包括準(zhǔn)確度和精密度兩方面。準(zhǔn)確度：觀(guān)察值與真實(shí)值的接近程度。精密度：重復(fù)觀(guān)察時(shí)，觀(guān)察值與其平均數(shù)的接近程度。準(zhǔn)確度精密度都好準(zhǔn)確度不好精密度好準(zhǔn)確度精密度都不好3.靈敏度和特異度實(shí)驗(yàn)效應(yīng)指標(biāo)應(yīng)當(dāng)同時(shí)兼顧其靈敏度和特異度，盡量使靈敏性和特異性都高。第2節(jié)實(shí)驗(yàn)誤差和偏倚的控制假定某年某地所有13歲女學(xué)生身高服從總體均數(shù)μ=155.4cm，總體標(biāo)準(zhǔn)差σ=5.3cm的正態(tài)分布N(155.4，5.32）。隨機(jī)抽取30人為一個(gè)樣本（n=30），并計(jì)算樣本的均數(shù)和標(biāo)準(zhǔn)差，共抽取100次，可以得到100份樣本，每份樣本可以計(jì)算相應(yīng)的均數(shù)和標(biāo)準(zhǔn)差。1.實(shí)驗(yàn)誤差誤差就是實(shí)測(cè)值與真實(shí)值之差。（1）抽樣誤差由于樣本本身存在差異而造成的一種誤差。（2）系統(tǒng)誤差是指在一定實(shí)驗(yàn)條件下，由于某種原因使得觀(guān)測(cè)值出現(xiàn)偏差，這種偏差有一定傾向性，例如，表現(xiàn)為恒定偏大或偏小，或周期性變化。系統(tǒng)誤差的大小和方向，在同一實(shí)驗(yàn)條件下是基本恒定的，當(dāng)實(shí)驗(yàn)條件改變時(shí)，它可按照一定的規(guī)律發(fā)生變化。（3）隨機(jī)誤差又稱(chēng)偶然誤差，它是由于一系列有關(guān)實(shí)驗(yàn)因素的微小隨機(jī)波動(dòng)引起的方向不定又可相互抵償?shù)恼`差，是在排除了系統(tǒng)誤差后仍然存在的誤差。無(wú)法控制的變因，會(huì)使得測(cè)量值產(chǎn)生隨機(jī)分布的誤差。它服從統(tǒng)計(jì)學(xué)上所謂的“正態(tài)分布”或稱(chēng)“高斯分布”，它是不可消除的，在這個(gè)意義上，測(cè)量對(duì)象的真值是永遠(yuǎn)不可知的，只能通過(guò)多次測(cè)量獲得的均值盡量逼近。觀(guān)察次數(shù)系統(tǒng)誤差隨機(jī)測(cè)量誤差動(dòng)脈內(nèi)血壓值血壓計(jì)測(cè)量值80舒張壓(mmHg)90系統(tǒng)誤差與隨機(jī)誤差之間的關(guān)系誤差的控制（1）隨機(jī)化實(shí)驗(yàn)的抽樣與分組必須隨機(jī)化。（2）均衡化實(shí)驗(yàn)與對(duì)照的非處理因素均衡一致。（3）重復(fù)實(shí)驗(yàn)如兩個(gè)平行的測(cè)定管得出的數(shù)據(jù)誤差超過(guò)5%時(shí)，則應(yīng)重新測(cè)定一次，直至誤差在5%內(nèi)為止。二、偏倚及其控制偏倚是由某些非研究因素干擾所形成的歪曲了處理因素真實(shí)效應(yīng)的偏差。它實(shí)際上是一種系統(tǒng)誤差。1.選擇性偏倚選擇性偏倚是由于納入觀(guān)察對(duì)象的方法不正確產(chǎn)生的偏倚。二、偏倚及其控制實(shí)驗(yàn)擬定的納入和排除觀(guān)察對(duì)象的標(biāo)準(zhǔn)不明確或不正確都可能產(chǎn)生選擇性偏倚。防止選擇性偏倚的方法：擬定明確的、可操作性強(qiáng)的研究對(duì)象選擇標(biāo)準(zhǔn)；正確設(shè)立對(duì)照，貫徹隨機(jī)化原則；結(jié)合研究對(duì)象的特征分層研究，如病情分輕、中、重三級(jí)。2.測(cè)量性偏倚測(cè)量性偏倚常見(jiàn)的情況：對(duì)照組的對(duì)象接受了處理因素的沾染，造成與實(shí)驗(yàn)結(jié)果差值的縮小；實(shí)驗(yàn)組除接受處理因素外，還接受其他有效措施或藥物，擴(kuò)大了實(shí)驗(yàn)組結(jié)果與對(duì)照組的差值；防止測(cè)量性偏倚的方法：貫徹盲法原則，采取研究對(duì)象不知道自己接受什么處理因素（單盲），甚至直接實(shí)施的研究者也不知道研究對(duì)象接受何種處理因素（雙盲）。3.混雜偏倚混雜因素亦稱(chēng)混雜因子或外來(lái)因素，是指與研究因素和研究疾病均有關(guān)，若在比較的人群組中分布不勻，可以歪曲（掩蓋或夸大）因素與疾病之間真正聯(lián)系的因素。①必須是所研究疾病的獨(dú)立危險(xiǎn)因子；②必須與研究因素（暴露因素）有關(guān)；③一定不是研究因素與研究疾病因果鏈上的中間變量。這是混雜因素成立的基本條件。具備這幾個(gè)條件的因素，如果在比較的人群組中分布不均，即可導(dǎo)致混雜產(chǎn)生。如在關(guān)于吸煙與肺癌關(guān)系的病例對(duì)照研究中，年齡即具備這樣的條件，如果病例組與對(duì)照組年齡分布不均衡，即可導(dǎo)致對(duì)吸煙與肺癌關(guān)系的錯(cuò)誤估計(jì)。防止混雜偏倚，可在研究設(shè)計(jì)和分析階段予以控制和處理，其方法常用限制（將研究對(duì)象限制在一定范圍，以使結(jié)果能直接用于分析）、配對(duì)和分層分析等措施控制。研究產(chǎn)婦狀況與電針引產(chǎn)手術(shù)效果的關(guān)系，將771例產(chǎn)婦按初產(chǎn)和往產(chǎn)進(jìn)行分組，觀(guān)察電針引產(chǎn)手術(shù)的效果，結(jié)果如下表考慮胎膜狀況可能是影響到產(chǎn)婦狀況與手術(shù)效

果關(guān)系的混雜因素，將產(chǎn)婦按胎膜已破和未破進(jìn)行分組，觀(guān)察胎膜狀況對(duì)手術(shù)效果的影響。再來(lái)考察初產(chǎn)和往產(chǎn)產(chǎn)婦中胎膜狀況的分布

情況，結(jié)果如表5。我們可以得出結(jié)論：胎膜狀況應(yīng)該是一個(gè)混雜

因素，因?yàn)樗鼘?duì)手術(shù)的效果有影響，而且與產(chǎn)婦狀況有關(guān)。胎膜狀況在不同狀況產(chǎn)婦中分布明顯不同，初產(chǎn)產(chǎn)婦中胎膜已破率高于往產(chǎn)產(chǎn)婦。而胎膜已破組的手術(shù)成功率高于胎膜未破組，所以這種分布的不均衡就導(dǎo)致了混雜作用。為了控制混雜因素的影響可以采用分層分析的

方法。先將產(chǎn)婦按胎膜狀況分組，再在兩種不同的狀況下分析初產(chǎn)和往產(chǎn)產(chǎn)婦的手術(shù)效果，結(jié)果如表6。結(jié)果表明：在胎膜已破的情況下，產(chǎn)婦狀況對(duì)

手術(shù)效果有影響。分別在胎膜已破和胎膜未破的產(chǎn)婦中，比較初產(chǎn)和往產(chǎn)產(chǎn)婦，可使我們?cè)诓灰蕾?lài)于胎膜狀