常用实验设计方法2013pdf

常用实验设计类型及其资料分析方法山东大学公共卫生学院卫生统计教研室常用的实验设计类型：单因素实验设计：完全随机设计、配对设计、配伍组设计、交叉设计、拉丁方设计、……多因素实验设计：析因设计、正交设计、均匀设计、裂区设计、序贯实验设计、……不同的研究目的应采用不同的设计方法安排实验。2山东大学公卫学院单因素设计，不考虑个体差异的影响，仅涉及一个处理因素，但可以有两个或多个水平。设计时，将受试对象按随机化原则分配到不同的处理组中（或从不同总体中随机抽样进行对比研究），各组样本例数可以相等，也可以不等，但在总体样本含量不变情况下，各组例数相等时效率最高。3一、完全随机设计(completelyrandomdesign)山东大学公卫学院(一)设计步骤确定研究因素与水平数；确定研究对象和实验效应指标；根据专业和研究目的选定研究对象，要求有较好的同质性。随机化分组；随机数字表，随机排列表，计算机软件产生随机数试验；数据统计分析。4完全随机设计山东大学公卫学院例1.按完全随机设计方法将10只小鼠随机分配到甲、乙两组。随机分组：先将实验对象编号，按预先规定，利用随机排列表（或随机数字表）的随机数字将实验对象随机分配到各组中去。5山东大学公卫学院用随机排列表进行分组时，各组例数相等；用随机数字表进行分组时，各组例数常不相等。完全随机设计随机化分组用随机数字表分组先将小鼠按体重由小到大编号；再从“随机数字表”中任意指定某行某列，如从第31行13列开始，向右抄录10个两位数的随机数字，依次录于小鼠编号下；按预先规定，将随机数字为奇数者分到甲组，偶数者分到乙组。6山东大学公卫学院完全随机设计动物编号12345678910随机数字18045235562709248661组别乙乙乙甲乙甲甲乙乙甲8553用随机数字表分组先将小鼠按体重由小到大编号；再从“随机数字表”中任意指定某行某列，如从第31行13列开始，向右抄录10个两位数的随机数字，依次录于小鼠编号下；按预先规定，将随机数字为奇数者分到甲组，偶数者分到乙组。分组情况如下：7分组结果甲组：4、6、7、10号小鼠乙组：1、2、3、5、8、9号小鼠调整：85/6=14(余1)，乙组中的第1只小鼠被调到甲组。山东大学公卫学院完全随机设计先将小鼠按体重由小到大编号；再从“随机排列表”中任意指定一行，如第3行，依次将0～9之间的随机数字录于小鼠编号下（遇9以上的数字应舍去）；按预先规定，将随机数字为奇数者分到甲组，偶数者分到乙组。8山东大学公卫学院完全随机设计用随机排列表分组先将小鼠按体重由小到大编号；再从“随机排列表”中任意指定一行，如第3行，依次将0～9之间的随机数字录于小鼠编号下（遇9以上的数字应舍去）；按预先规定，将随机数字为奇数者分到甲组，偶数者分到乙组。分组情况如下：动物编号12345678910随机数字1203874596组别甲乙乙甲乙甲乙甲甲乙9分组结果甲组：1、4、6、8、9号小鼠乙组：2、3、5、7、10号小鼠山东大学公卫学院完全随机设计用随机排列表分组用随机数字表分组先按患者的就诊顺序编号；再从“随机数字表”中任意指定某行某列，如从第6行29列开始，向下录入15个两位数的随机数字，并依次列于各患者编号之下；最后将随机数字从小到大编秩，并规定R：1～5者为甲组，6～10者为乙组，11～15者为丙组。患者编号123456789101112131415随机数字884534284491207936317018688558序号R148537152126411110139处理组别丙乙甲甲乙丙甲丙乙甲丙甲乙丙乙10注意：①随机数字的位数不应小于n的位数，遇有相同的随机数字应舍去。②如果设计上需要各组例数不相等时，可利用R调整各组例数。③当n较大时（如n100），可用计算机排列出随机数字的序号R。例2.按完全随机设计方法将15名患者随机分为3组。完全随机设计随机化分组山东大学公卫学院先按患者的就诊顺序编号；再从“随机排列表”中任意指定一行，如第21行，依次将0～14之间的随机数字录于各患者编号下（遇14以上的数字应舍去）；按预先规定，将随机数字为0～4的患者分入甲组，5～9的患者分入乙组，10～14的患者分入丙组。结果如下：患者编号123456789101112131415随机数字12138470111514361092处理组别丙丙乙甲乙甲丙甲乙丙甲乙丙乙甲11分组结果甲组：4、6、8、11、15号乙组：3、5、9、12、14号丙组：1、2、7、10、13号山东大学公卫学院完全随机设计用随机排列表分组procplanseed=27371;factorsUnit=10;treatmentsTreatment=10cyclic(1111122222);run;随机分组的SAS软件实现例.将10个受试对象随机等分为2组：12山东大学公卫学院13山东大学公卫学院随机分组的SPSS软件实现例.将10个受试对象随机等分为2组：数据统计分析141.两样本比较(1)小样本:①成组设计的两样本均数比较的t检验；②成组设计的两样本均数比较的t’检验；③成组设计的两样本比较的秩和检验。(2)大样本:成组设计两样本均数比较的u检验。2.多样本比较完全随机设计资料的方差分析；成组设计多样本比较的秩和检验山东大学公卫学院完全随机设计*数值变量资料1．两样本率的比较二项分布或Poisson分布资料u检验、四格表资料的2检验、Fisher精确概率法。2．多个样本率（或构成比）的比较行列表资料的2检验或Fisher精确概率法。3．单向有序资料的比较(1)若比较各样本的不同等级的疗效情况，可用秩和检验、Ridit分析、CPD分析、有序变量的logistic回归模型和有序变量的对数线型模型等。(2)若比较各样本不同等级构成情况，用2检验。15山东大学公卫学院完全随机设计数据统计分析*分类变量资料4．双向有序且属性不同资料的比较(1)若分析两变量是否存在线性相关关系时，用等级相关分析。(2)若分析两变量是否存在直线变化趋势时，用线性趋势检验。5．双向有序且属性相同资料的一致性检验用Kappa检验。16山东大学公卫学院完全随机设计数据统计分析*分类变量资料17山东大学公卫学院完全随机设计优缺点与适用范围设计方法简单，处理组数和各组样本量都无限制；统计分析方法相对简单；实验过程中，若有实验对象发生意外，信息损失相对小于其他类型设计。设计和实验中各处理组应达到均衡，且应同期平行进行。但本设计仅单纯依靠对研究对象的随机化分组对非研究因素进行组间均衡，缺乏其他有效控制，故实验误差相对较高，精确度较低。因此，该设计适用于实验对象同质性较好的研究。否则，可考虑分层完全随机设计（即将研究对象先按某个特征进行分层，然后对各层进行随机化分组）或其他设计方法。该设计中对照组可不止一个，如同时设阳性对照、空白对照等。原理：先将受试对象按配对条件配成对子，使同一对中的受试对象条件相同或相近；再将各对中的两个受试对象随机分配到实验组和对照组(或不同处理组)接受不同的处理。配对条件：影响研究结果的主要非研究因素。如：动物实验中以种属、品系、窝别、性别相同，年龄、体重相近配对；临床试验中以性别相同，年龄、职业、生活工作条件、病情等相同或相近配对。某些医学实验研究中的自身对照也可看作是配对设计，如某指标治疗前后的比较（平行样本）；同一受试对象不同部位、不同器官的比较；同一标本不同检测方法的比较。18二、配对设计(paireddesign)“对子间可不一致，对子内尽可能一致”——保证组间均衡山东大学公卫学院(一)设计步骤确定研究因素与水平：一个因素两个水平；确定研究对象和配对条件，并配对；随机化分组：随机数字表，随机排列表，计算机软件产生随机数；试验；数据统计分析。19配对设计山东大学公卫学院例3.试将已配成10对的20只小鼠随机分配到甲乙两组。20山东大学公卫学院随机化分组配对设计先将小鼠编号，如第一对第1受试者编号为1.1，第2受试者编号为1.2，余仿此。再从随机排列表中随机指定某行，例如第6行，依次将0～9之间的随机数字录于受试者编号下，舍去10～19之间的数字，并规定随机数字为奇数时取甲乙顺序，偶数时取乙甲顺序。小鼠编号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2814309675处理乙甲乙甲甲乙乙甲甲乙乙甲甲乙乙甲甲乙甲乙分组结果甲组：1.2、2.2、3.1、4.2、5.1、6.2、7.1、8.2、9.1、10.1乙组：1.1、2.1、3.2、4.1、5.2、6.1、7.2、8.1、9.2、10.2例试将已配成10对的20只小鼠随机分配到甲、乙两组。procplanseed=654;factorspair=10orderedtreat=2random;run;ThePLANProcedureFactorSelectLevelsOrderpair1010Orderedtreat22Randompair-treat-1212123214125216217128219121021可根据配对组数改变pair=后面的参数，用于配对设计的随机分配。21山东大学公卫学院22（1）配对t检验（2）配对设计的Wilcoxon符号秩和检验山东大学公卫学院配对设计数据统计分析*数值变量资料*分类变量资料配对四格表χ2检验23山东大学公卫学院配对设计优缺点与适用范围严格控制非处理因素对实验结果的影响，增大组间均衡性，减少实验误差，提高实验效率。与两组完全随机设计相比，可减少研究对象间的个体差异，并可减少样本量。缺点是对研究对象要求较高，特别是在临床试验中有时会出现部分对象难以配成对子。另外，当配对条件控制和使用不当时，可造成配对失败或配对不完全。对于自身对照，有必要设立平行对照。亦称随机区组设计，是配对设计的扩展。原理：先将受试对象按其某些特征或性质（匹配条件：如动物的种属、性别、体重、年龄等非研究因素）配成配伍组/区组，各区组内研究对象个数（≥3）与处理组数相同；然后再按随机化原则分别将各组中的受试对象分配到各个处理组。目的是对一些已知的非处理因素进行控制，以提高组间均衡性，减少实验误差。24山东大学公卫学院三、配伍组设计(randomizedblockdesign)(一)设计步骤确定研究因素与水平：一个因素多个水平；确定研究对象和匹配条件，组成区组；随机化分组：随机数字表，随机排列表，计算机软件产生随机数；试验；数据统计分析。25配伍组设计山东大学公卫学院动物编号123456789101112随机数字312321231123处理组别丙甲乙丙乙甲乙丙甲甲乙丙例4.按体重和年龄为配比条件将12只雌性小鼠配成4个区组，试对每个区组内的3只小鼠随机分配，分别给予甲、乙、丙3种饲料。26配伍组设计随机化分组先给动物编号：第1配伍组为1～3号，第2配伍组为4～6号，第3配伍组为7～9号，第4配伍组为10～12号；再从随机排列表中，任意指定连续的4行，如第12～15行，每行只取随机数字1～3，其余舍去，依次列于各配伍组的受试者编号下，并规定随机数字为1的小鼠喂以甲饲料，为2的小鼠喂以乙饲料，为3的小鼠喂以丙饲料。山东大学公卫学院动物编号123456789101112随机数字312321231123处理组别丙甲乙丙乙甲乙丙甲甲乙丙27配伍组设计随机化分组山东大学公卫学院例按体重和年龄为配比条件将12只小鼠配成4个区组，试对每个区组内的3只小鼠随机分配。procplanseed=1574638;factorsblock=4orderedtreat=3random;run;ThePLANProcedureFactorSelectLevelsOrderblock44Orderedtreat33Randomblock-treat-1132232132314123改变block=和treat=后面的参数，可适用于