12-实验设计

第12章实验设计DesignOfExperiment，DOE主讲：平智广EMAIL:[e-mail]公共卫生学院卫生统计学教研室教学内容三、常见的实验设计类型四、样本含量的影响因素五、常见错误实例辨析二、实验设计的基本原则一、实验设计的基本要素教学目的和要求掌握：实验设计的基本要素实验设计的基本原则样本含量的含义及影响因素了解：常见的实验设计类型根据是否存在人为地给予的干预措施，医学研究可分为两类：实验研究：研究者能够人为给予干预措施，受试对象被随机地分配到各处理组去。调查研究：无人为给予的干预措施，研究对象是否存在某种因素也不是由随机化决定的。引言在吸烟与肺癌关系的研究中，根据人群是否吸烟分成两组，观察吸烟人群和不吸烟人群肺癌的发病率。调查研究举例将小学生随机分成试验组和对照组：试验组给予有关预防近视的健康教育+眼保健操，对照组只是每天作一次眼保健操。实验性研究优点：可以较好地控制处理因素，使比较组间有较好的均衡性和可比性。举例设计包括专业设计和统计设计两部分：专业设计：从专业角度考虑实验因素的科学安排，包括选题、建立假设、确定研究对象和技术方法等。统计设计：从统计学的角度考虑设计的科学性和逻辑性。包括确定设计类型、样本含量的估计、选定统计分析指标和统计分析方法等。实验设计：科学合理地安排实验研究的过程，使实验结果能够在最少人力、物力和时间条件下，准确回答事先提出的问题。实验设计的内容：如何正确地处置实验设计的三要素和四原则，如何针对具体问题合理选择实验设计类型，如何辨析和避免实验设计方面常出现的错误。随机化分组人为的干预因素一、实验设计的基本要素实验设计的3个基本要素受试对象（subject）处理因素（treatment）实验效应（experimentaleffect）例1：用两种降血糖药物治疗糖尿病病人，观察比较两组病人血糖、尿糖的下降情况。受试对象：糖尿病病人处理因素：降血糖药物实验效应：血糖值和尿糖值受试对象是实验因素作用的客体，根据其特征和属性，可粗分为生物体与非生物体。生物体又可粗分为人体与非人体，人体又常分为患者与非患者；非人体又常分为动物、植物，人的离体标本或细胞。受试对象应根据研究目的来确定。在实验进行前必须规定受试对象的纳入和排除标准，以保证其同质性。选择受试对象应遵循的基本原则：对处理因素敏感；反应必须稳定。1.受试对象实验动物种类很多，生理性状也不同，为保证动物试验的准确性，必须选择适宜的动物做试验。动物实验时应考虑种属品系、窝别、性别、年龄、体重及病理模型等。通常按实验目的和要求选择实验动物。在分离、鉴定病原菌时选用最敏感的动物作实验对象。如小白鼠对肺炎链球菌、破伤风外毒素敏感、豚鼠对结核分枝杆菌敏感。(1)动物的选择题目：《不同反流物对十二指肠胃混合食管反流大鼠食管腺癌发生的影响》来源：郑州大学学报（医学版），2011，46(3)目的：探讨不同pH值的十二指肠胃混合食管反流对食管腺癌发生的影响。方法：……建立低和高pH值十二指肠胃混合食管反流SD大鼠模型，每组各30只（雌、雄各半），分别观察造模40周后动物食管炎、Barrett’s食管、腺体不典型增生和食管腺癌的发生率。题目：《恒河猴下颌支垂直骨切开术动物模型的建立》来源：郑州大学学报（医学版），2009，44（6）目的：建立经口内途径的下颌支垂直骨切开术(IVRO)动物模型,为正颌外科的基础研究提供良好的实验平台。方法：选用恒河猴建立IVRO动物模型。要有明确的诊断标准、纳入标准和排除标准除了考虑人的种族、地域、性别、体重、健康状况等一般条件外，同时还需考虑社会因素(如职业、居住条件、经济情况等)和心理因素(如嫉妒等)，以保证调查对象的同质。若为临床研究，除了要考虑病种、病情、病程、家族史、就诊医院等情况。要有患者的知情同意（或知情不拒绝），医学伦理委员会的认可。(2)人的选择题目：《胰岛素增敏剂联合来曲唑治疗多囊卵巢综合征84例》来源：郑州大学学报（医学版），2010，45（4）一般资料：……84例PCOS不孕患者，均在外院接受过3个周期以上克罗米芬促排卵治疗失败。PCOS的诊断参考Rotterdam标准。患者均经输卵管造影证实输卵管通畅，无生殖系统器质性病变，男方精液检查无异常。该研究经医院伦理委员会批准，所有对象均知情同意。1.受试人群选择：受试者依照知情同意，自愿参加为原则，近期无流感病毒感染史、无流感疫苗接种史及其接种禁忌症者。2.受试者入选标准①3岁及其以上不同年龄的健康人群，智力正常，本人（或其监护人）知情同意，并签署知情同意书。②受试者能遵守临床研究方案的要求参加随访。③愿意在疫苗临床试验期间提供血样，协助填写研究资料。④经查问病史、体检和临床判定健康者，且符合本制品的免疫接种的受试者。⑤受试者能遵守临床研究方案的要求。⑥过去未接种过流感疫苗，且近1周内未接种其他预防制品。⑦腋下体温≤37℃者。甲型H1N1流感病毒裂解疫苗安全性及免疫原性临床试验3.受试者排除标准①研究者认为有可能影响试验评估的任何患有任何严重疾病，如：肿瘤、自身免疫病等。②对研究疫苗中的任何成份过敏者（既往任何疫苗接种过敏史）。③有神经系统症状或体征病史者。④有已知或可疑（或有高危发生可能）的免疫功能损伤或异常者。⑤有出血体质或出血时间延长情况者。⑥在过去6个月内曾确诊流感感染、或至少接受过一次流感疫苗接种者。⑦在过去1周内曾接受其他疫苗或免疫球蛋白注射、任何研究性药物。⑧在过去7天内曾有任何急性疾病、需要全身应用抗生素或抗病毒治疗的感染者。⑨在过去3天内曾有发热（腋下体温≥38℃）者。⑩正在参加另一项临床研究者。研究者希望着重考察的某些实验条件叫作实验因素，也是根据研究目的而对研究对象施加的外界干预，又称为受试因素。与实验因素相对应并同时存在的是非实验因素。是指对实验结果有影响但不能人为改变的因素。如受试对象的性别、年龄等，通常取决于研究对象自身。研究者可通过随机分组的方法，尽量地使全部的非实验因素，或者重要的非实验因素在各组的分布均衡（需进行假设检验），最大限度的控制非实验因素对结果的影响。2.实验因素题目：《一期双通道微造瘘经皮肾镜治疗肾鹿角状结石24例》来源：郑州大学学报（医学版），2010，45（6）一般资料：选择…….56例鹿角型肾结石患者，其中一期单通道组32例，一期双通道组24例，均知情同意。2组患者一般情况均衡。组别N性别（男/女）年龄（岁）结石直径（cm）单通道组3223/945.113.321.24.1双通道组2416/843.612.320.33.6统计量0.1760.4360.872P0.6750.6640.387表12组患者一般情况指实验因素作用下，受试对象的反应(response)和结局(outcome)，它是通过实验观察指标定量或定性地来表达。观察指标选择的好坏直接关系到研究的成败。指标的选择遵循以下原则：(1)与研究目的吻合作为观察指标首要条件是实验所用的指标必须与所要研究的目的有本质的联系，并能确切反映实验因素的效应。如观察抗乙肝病毒药物的治疗效果，观察指标应该选取患者乙肝病毒DNA水平的变化作为观察指标。而不应该以转氨酶的含量的变化作为观察指标。3.实验效应灵敏性是指该指标检出真阳性的能力，特异性是指该指标能鉴别真阴性的能力。高灵敏性和高特异性是指标可用性的体现。例如，冠脉造影(CAG)诊断冠心病具有较高的灵敏性和特异性，而心电图检查也可以作为诊断冠心病的标准，但其灵敏性与特异性均不及CAG，故仅能作为辅助指标。(2)灵敏性和特异性观察指标包括主观指标和客观指标。主观指标是指被观察者的主观感觉、记忆、陈述或观察者的主观判断结果；客观指标则是借助测量仪器或实验室检验等手段获得的结果。主观指标：具有随意性和偶然性；客观指标：具有真实性和可靠性。生存质量分析时，采用公认的量表测量某些主观感受，反映处理因素的效应。(3)客观性包括精密度和准确度两层含义。精密度(precision)或可靠性（reliability）或重复性（repeatability）——重复观察时观察值与其均值的接近程度，受随机误差的影响。常用指标：变异系数、标准差；准确度(accuracy)或真实性(validity)——观察值与真实值的接近程度，受系统误差的影响。(4)精确性准确度与精密度准确度和精密度都好准确度差、精密度好准确度好、精密度差准确度和精密度都差二、实验设计的基本原则1.对照(control)2.重复(replication)3.随机化(randomization)4.均衡(balance,equilibrium)5.盲法(blind)-临床试验设计1.对照原则(1)意义：使实验组和对照组内的非处理因素基本一致，使处理因素的效应得以显露。药物治疗老年性慢性支气管炎气候转暖,自然缓解处理组：对照组：处理因素非处理因素+处理效应+非处理效应非处理因素非处理效应处理因素处理效应结果：对照的形式有多种，可根据研究目的和内容加以选择，常用的有：①安慰剂（placebo）②空白（blankcontrol）③实验对照（experimentalcontrol）④标准对照（standardcontrol）⑤自身对照（selfcontrol）(2)对照的基本形式①安慰剂对照：安慰剂是一种无药理作用的“假药”，其外观如剂型、大小、颜色、重量、气味及口味等与实验药物一致，但不含实验药物的有效成分。举例：了解微量营养素对HIV/AIDS体内微量元素水平的影响，干预组给复合微量营养素片，对照组给安慰剂。优点：克服研究者、受试对象、评价者等由于心理因素所形成的偏倚。微量营养素片（A片）安慰剂（B片）②空白对照概念：不给对照组施加任何处理因素。举例：用途：这种对照只有在处理因素很强，非处理因素很弱的情况下才能使用。如放射治疗或化疗。③实验对照概念：给对照组施加包含某非实验因素的实验措施。举例：实验因素是赖氨酸，非实验因素“面包量”。用途：当实验因素的施加需伴随其它因素时。④自身对照概念：对照与实验在同一受试者身上进行,如身体对称部位或实验前后某项指标的比较。举例：减肥药肥胖患者体重值（服药后）肥胖患者体重值（服药前）如果是治疗前后某项指标的比较，必需保证试验前后某些环境或自身因素保持不变！⑤标准对照概念：不设立专门的对照组，而用现有标准值或正常值做对照。举例：在分析白加黑治疗感冒患者疗效时，不设立专门对照，而是与传统药物感冒通比较。缺点：试验组的时间、地点和环境不同于人们现有标准，因此缺乏可比性。对照设立常见问题：缺乏对照；对照设置不当：①使用非同期对照或历史对照；②组间基础状况不均衡；③对照组例数与实验组例数相差悬殊；④对照不全或多余对照。2.重复重复是实验单位应具有一定的样本量。其原因是由于个体之间存在变异，同一种处理对不同的受试对象所产生的效果不尽相同，只有大量重复，处理的真实效应才会真实地显露出来。整个实验的重复：它确保了实验的重现性，从而提高了实验的可靠性。用多个受试对象进行重复：它避免了把个别情况误认为普遍情况。同一受试对象的重复观察：它保证了观察结果的精度。(1)定义所谓随机化(randomization)，就是采用随机的技术，使每个受试对象都有同等的机会被抽取或分配到不同的实验组和对照组。3.随机化的原则①抽样随机——代表性总体中每个观察个体有同等机会被抽取②分组随机——均衡性每个研究对象有同等机会被分配到各处理组③实验顺序随机——平衡顺序或季节的影响每个研究对象先后接受处理的机会相同(2)随机化的三层含义①常用的随机抽样技术单纯随机抽样系统抽样分层随机抽样整群抽样多阶段随机抽样随机选取2005年1月至2006年12月期间在郑州市中心医院口腔科就诊的203例中重度慢性牙周炎患者为研究对象，选自同期在该科就诊的牙周健康的患者作为对照。研究者可从研究目的、处理因素的多少，并结合专业要求选择适合的设计方案，如：完全随机设计、配对