第三章 实验设计Chapter 3 Experimental DesignDe Qi Su Dept. of ToxicologySchool of Public HealthXinjiang Medical University实验设计n n实验设计实验设计(experimental design)(experimental design) 指的是为实验研究制定出指的是为实验研究制定出一个通盘的、周密的、安排合理的、科学性强的设计方案，一个通盘的、周密的、安排合理的、科学性强的设计方案，将实验对象将实验对象随机地分配到两个或多个组中随机地分配到两个或多个组中，对实验对象施对实验对象施加某种干预或处理因素加某种干预或处理因素，观察比较不同处理的效应观察比较不同处理的效应，它是，它是科研的先导，是执行科研项目的指南，是确保研究结果准科研的先导，是执行科研项目的指南，是确保研究结果准确、可靠的前提。确、可靠的前提。引言实验设计uu验验设设计计（study study designdesign）是是科科研研计计划划（protocol)protocol)中中的的关关键键，影影响响着着课课题题（project)project)的的成成败败。实实验验设设计计是是实实验验过过程程的的依依据据，是是实实验验数数据据处处理理的的前前提，是提高科研质量的重要保证。提，是提高科研质量的重要保证。uu在医学实验中，设计是一项重要的内容。在医学实验中，设计是一项重要的内容。如如果果实实验验的的设设计计周周密密，那那么么就就可可以以用用比比较较少少的的人人力力、物物力力和和时时间间，最大限度地获得可靠而丰富的资料。最大限度地获得可靠而丰富的资料。如如果果实实验验的的设设计计有有疏疏忽忽、不不严严密密等等缺缺点点，就就有有可可能能造造成成不不必必要要的的浪浪费或降低实验研究的价值，使实验研究的结果真实可靠性降低。费或降低实验研究的价值，使实验研究的结果真实可靠性降低。因因此此，在在制制订订研研究究计计划划时时，首首先先要要根根据据统统计计学学知知识识认认真真细细致致地地考考虑虑动物实验的设计问题。动物实验的设计问题。 一、实验设计的意义：实验设计第一节 实验设计的基本要素uu 处理因素处理因素(study (study factor,treatmentfactor,treatment) )uu 受试对象受试对象(study subjects)(study subjects)uu试验效应试验效应(experimental effect)(experimental effect)处理因素受试对象实验效应降压药高血压病动物模型血压值p实验研究的实验研究的三大要素三大要素：其他因素其他效应实验设计1.1.分类：分类： 化学因素化学因素：毒物、粉尘、药物等。：毒物、粉尘、药物等。 物理因素：物理因素：噪声、振动、温度等。噪声、振动、温度等。 生物因素：生物因素： 寄生虫、细菌、病毒、生物制品。寄生虫、细菌、病毒、生物制品。 其它：其它： 动物的饲养条件等。动物的饲养条件等。（一） 处理因素(study factor,treatment)：实验设计2.处理因素的数目与水平：单因素设计：每次实验只观察一个处理因素的效应。单因素设计：每次实验只观察一个处理因素的效应。优点：目的明确，简单易行，条件好控制，结果一目了优点：目的明确，简单易行，条件好控制，结果一目了然。然。缺点：设计效率低，每次只能解决一个问题。缺点：设计效率低，每次只能解决一个问题。多因素设计：一次实验同时观察多种处理因素的效应。多因素设计：一次实验同时观察多种处理因素的效应。优点：设计效率高，每次可解决几个问题。优点：设计效率高，每次可解决几个问题。缺点：设计复杂，条件不好控制，实验结果的统计分析缺点：设计复杂，条件不好控制，实验结果的统计分析较复杂。较复杂。处理因素的强度：剂量问题。处理因素的强度：剂量问题。实验设计p确定处理因素的注意事项:（1）明确处理因素和非处理因素病人对治疗的反应除了治疗因素外，还包括病人的心理状态、生产、生活条件及社会心理因素等。后者可称为非处理因素（2）处理因素须标准化处理因素在整个试验过程中保持不变例如，不同时期的药物批号，手术操作者熟练程度。实验设计uu根据不同研究目的而确定的受试对象。根据不同研究目的而确定的受试对象。pp受试对象可以是人、动物或微生物，也可以是取自人或动受试对象可以是人、动物或微生物，也可以是取自人或动物体的材料，如器官、组织细胞和大分子等。物体的材料，如器官、组织细胞和大分子等。pp受试对象可以是正常的，也可以是有病理改变的。受试对象可以是正常的，也可以是有病理改变的。pp在实验进行前就必须明确规定作为受试对象的条件，以保在实验进行前就必须明确规定作为受试对象的条件，以保证受试对象的同质性。证受试对象的同质性。（二）受试对象(studysubjects):实验设计1.1.受试对象应具备的条件：受试对象应具备的条件：对处理因素较敏感；对处理因素较敏感；对处理因素产生的反应较稳定。对处理因素产生的反应较稳定。2.2.选择受试对象要考虑的因素：选择受试对象要考虑的因素：3.3.受试对象的标准化：受试对象的标准化：4.4.受试对象的均衡性：受试对象的均衡性：实验设计处理因素作用于受试对象产生的结果。处理因素作用于受试对象产生的结果。1.1.指标的有效性：与研究目的之间有本质联系指标的有效性：与研究目的之间有本质联系2.2.指标的客观性：主观指标和客观指标指标的客观性：主观指标和客观指标3.3.指标的准确度和精密度：指标的准确度和精密度：4.4.指标的灵敏性：指标的灵敏性：5.5.指标的特异性：指标的特异性：6.6.指标的数目：指标的数目：7.7.指标的标准化：指标的标准化：（三）试验效应(experimentaleffect)实验设计准准确确度度(accuracy)(accuracy)或或真真实实性性（validityvalidity）观观察察值值与与真真值值的的接接近近程程度度，受受系统误差的影响系统误差的影响( (如灵敏度、特异度如灵敏度、特异度) )。 精精密密度度(precision)(precision)或或可可靠靠性性（reliabiliyreliabiliy）或或重重复复性性（repeatabilityrepeatability）重重复复观观察察时时观观察察值值与与其其均均值值的的接接近近程程度度，受受随随机机误误差差的的影影响响（如如一一致致百百分率、分率、KappaKappa值）。值）。实验设计uu为了在实验研究中能有效地控制随机误差，避免为了在实验研究中能有效地控制随机误差，避免或减少各种非处理因素的干扰，以较少的实验对或减少各种非处理因素的干扰，以较少的实验对象取得较多而且可靠的实验数据，达到经济高效象取得较多而且可靠的实验数据，达到经济高效的目的，应遵循的目的，应遵循对照、随机、重复对照、随机、重复的统计学原则的统计学原则。第二节实验设计的基本原则实验设计吃黄金搭档一年，小孩长高了5CM，起效了？实验设计一、对照(control)：p对照的意义：区分处理因素与非处理因素的效应，是比较的必要基础消除和减少实验误差处理组：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比较结果处理因素处理效应实验设计1.1.空白对照（空白对照（blank controlblank control）2.2.安慰剂对照（安慰剂对照（placeboplacebo）3.3.实验对照（实验对照（experimentalexperimental）4.4.标准对照（标准对照（standard controlstandard control）5.5.自身对照（自身对照（self controlself control）常常用用的的对对照照类类型型实验设计 (1)(1)空白对照空白对照(blankcontrol)(blankcontrol)：对照组不加任何对照组不加任何处理因素处理因素。 例如：实验组儿童接种疫苗，对照组儿童不接种疫苗。试剂空白、血样空白、无酶解空白、底物空白等。特点：简单易行，但容易引起心理差异，从而影响实验效应的测定。安慰剂对照(placebocontrol)实验设计(2)(2)安慰剂安慰剂(placebo)(placebo)又又称称伪伪药药物物，是是一一种种无无药药理理作作用用的的制制剂剂，不不含含试试验验药药物物的的有有效效成成分分，但但其其感感观观如如剂剂型型、大大小小、颜颜色色、重重量量、气气味味及及口口味味等都与试验药物一样，不能被受试对象和研究者所识别。等都与试验药物一样，不能被受试对象和研究者所识别。用用于于临临床床试试验验，其其目目的的在在于于控控制制研研究究者者和和受受试试对对象象的的心心理理因因素素导导致致的偏倚，并提高依从性。的偏倚，并提高依从性。安慰剂对照还可控制疾病自然进程的影响，显示试验药物的效应。安慰剂对照还可控制疾病自然进程的影响，显示试验药物的效应。实验设计(3)(3)实实验验对对照照(experimental(experimentalcontrol)control)：施施加加基基础础实实验验条条件（非处理因素，如面包、烟薰剂）。件（非处理因素，如面包、烟薰剂）。含赖氨酸面包+非处理因素赖氨酸效应+面包效应+非处理因素效应面包+非处理因素面包效应+非处理因素效应赖氨酸赖氨酸效应中草药+烟薰剂与单纯烟薰剂-空气灭菌实验设计(4)(4)标标准准对对照照(standard(standardcontrol)control)：以以现现有有的的标标准准或或正常值作对照。正常值作对照。 例新方法与传统方法患者生理、生化指标与正常人生理、生化指标实验室应用较多实验设计 (5)(5)自自身身对对照照（self-controlself-control）：实实验验在在同同一一受受试试对对象象上进行（同源配对设计、交叉设计）上进行（同源配对设计、交叉设计）特点：简单易行，使用广泛。假定试验前后某些环境或自身因素保持不变。实验设计pp设立对照应注意的事项(1)(1)均衡：对照组与实验组均衡：对照组与实验组除研究因素外，其他因素应尽除研究因素外，其他因素应尽可能相同可能相同(2)(2)同步：对照组与实验组同步：对照组与实验组应处于同一空间和同一时间应处于同一空间和同一时间实验设计实例实例1 1n n规规定定实实验验组组适适应应症症为为：破破膜膜和和总总产产程程都都不不超超过过2424小小时时，无无感感染染( (无无阳阳性性体体征征，血血常常规规正正常常) )以以及及第第一一胎胎产产后后本本人人同同意意放放置宫内节育器者。置宫内节育器者。n n另将筛选剩下的另将筛选剩下的827827例作为对照组，不放置宫内节育器。例作为对照组，不放置宫内节育器。中华妇产科杂志，1985；20(1)：4950。pp剖剖腹腹产产同同时时放放置置宫宫内内节节育育器器735735例例的的初初步步观观察察将将施施行行剖剖腹腹产产手手术术15621562例例中中的的735735例例作作为为实实验验组组，在在剖剖腹腹产产的的同同时时放放置置宫宫内内节节育育器器。比比较较两两组组被被观观察察对对象象的的术术后后出出血血、恶恶露露干干净净时时间间和术后副反应等情况。和术后副反应等情况。本例，两组除处理因素(放置节育环)不同，受试对象的基本条件也不同，试验组较好，而对照组差，缺乏可比性。实验设计pp随机随机“随便随便”, , 随机就是在抽取样本以前，要随机就是在抽取样本以前，要使总体中每个单位都有同等的被抽取的机会，使总体中每个单位都有同等的被抽取的机会，是是样本对总体有较好的代表性。样本对总体有较好的代表性。pp在实验研究中，随机方法主要体现在在实验研究中，随机方法主要体现在抽样（随机抽样）、抽样（随机抽样）、分组（随机分配）和实施（实验顺序随机）过程分组（随机分配）和实施（实验顺序随机）过程等方面。等方面。pp随机化的方法有多种，如随机化的方法有多种，如抽签、摸球、抽签、摸球、随机数值表随机数值表( (最常最常用用) )等方法。等方法。二、随机(randomization)：实验设计例例 试将试将1010头动物应用随机数字表分配到甲、乙两组。头动物应用随机数字表分配到甲、乙两组。按动物体重编号查随机数字表规定双号为甲组，单号为乙组 调整：再接着查一个“6”以内的随机数，以决定甲组中哪一号拨到乙组。本例查得随机数为4，将甲组第4个（5号）调到乙组。 实验设计pp在实验研究中的在实验研究中的重复原则重复原则主要体现在以下几个方主要体现在以下几个方面：面：整个实验的重复、样本的重复、同一个体的整个实验的重复、样本的重复、同一个体的重复观察。重复观察。pp实验组与对照组的例数相等时，实验效率高；实验组与对照组的例数相等时，实验效率高；pp计量资料的实验效率高于计数资料；计量资料的实验效率高于计数资料；pp配对设计的实验效率高于分组设计。配对设计的实验效率高于分组设计。 三、重复的原则(replication)实验设计n n完全随机设计（完全随机设计（completelyrandomdesigncompletelyrandomdesign）n n配对设计（配对设计（paireddesignpaireddesign）n n随机区组设计（随机区组设计（randomizedblockdesignrandomizedblockdesign）n n交叉设计（交叉设计（crossoverdesigncrossoverdesign）n n析因设计（析因设计（factordesignfactordesign）第三节常用的几种试验设计方法实验设计（一）完全随机设计（一）完全随机设计（completely random designcompletely random design） 预选对象受试对象对照组纳入标准实验组随机化实验设计例：四种不同的实验处理（对照未服药、服例：四种不同的实验处理（对照未服药、服A A药、服药、服B B药、服药、服C C药）对某种肿瘤的小白鼠的药理作用研究，观察指标为药）对某种肿瘤的小白鼠的药理作用研究，观察指标为2 2周后体内存活的肿瘤细胞数。实验记录结果为：周后体内存活的肿瘤细胞数。实验记录结果为：对照组：对照组：48 50 46 52 48 4848 50 46 52 48 48服服A A药：药：45 51 47 48 47 5045 51 47 48 47 50服服B B药：药：23 20 22 19 21 1823 20 22 19 21 18服服C C药：药： 5 6 0 2 2 45 6 0 2 2 4实验设计研究的处理因素只有一个，研究的处理因素只有一个，故又称单因素设计，故又称单因素设计，但可具有两但可具有两个以及多个水平，完全随机设计常用于比较两个样本或多个个以及多个水平，完全随机设计常用于比较两个样本或多个样本均数的差异。样本均数的差异。其优点是简单易行，缺点是实验效率不太其优点是简单易行，缺点是实验效率不太高，只能分析单个因素。高，只能分析单个因素。随机的方法有抽签法、随机数字表等。各组样本数应尽量相随机的方法有抽签法、随机数字表等。各组样本数应尽量相等，否则会降低检验效率。等，否则会降低检验效率。u完全随机分组设计特点实验设计将受试对象按一定条件或某些特征配成对子，再随机分配到实将受试对象按一定条件或某些特征配成对子，再随机分配到实验组和对照组。验组和对照组。在动物实验中，常将窝别、体重、性别、环境条件等非实验在动物实验中，常将窝别、体重、性别、环境条件等非实验（处理）因素作为配对特征或条件。另一种配对设计是同体自（处理）因素作为配对特征或条件。另一种配对设计是同体自身配对设计，即分别在受试对象左、右不同部位或时间先、后身配对设计，即分别在受试对象左、右不同部位或时间先、后进行实验。进行实验。其优点是受试对象间的个体差异小，处理组间均衡性好；局限其优点是受试对象间的个体差异小，处理组间均衡性好；局限性是由于配对条件比较严格，实践中有时不易达到要求。性是由于配对条件比较严格，实践中有时不易达到要求。（二）配对设计（二）配对设计（paireddesignpaireddesign）实验设计注意事项n n不要不要“配对过头配对过头”；n n实验者必须在整个实验过程中，始终能辨认属于同一实验者必须在整个实验过程中，始终能辨认属于同一对子的是那两个实验对象；对子的是那两个实验对象；n n记录实验数据必须保持每对的一一对应关系，不能错记录实验数据必须保持每对的一一对应关系，不能错乱或缺失。乱或缺失。实验设计n n例：取例：取2020只小白鼠，按性别、体重、窝别配成只小白鼠，按性别、体重、窝别配成1010对，对，试用随机排列表将其分配到实验组与对照组中去。试用随机排列表将其分配到实验组与对照组中去。n n步骤：步骤：1 1、先按条件将受试动物配对，并将对子编号；、先按条件将受试动物配对，并将对子编号；第一对第一对第一个受试者编为第一个受试者编为1 1（A A）第二个受试者编为第二个受试者编为1 1（B B）余类推余类推实验设计编号结果第一对动物：第一对动物：1 1（A A），），1 1（B B）第二对动物：第二对动物：2 2（A A），），2 2（B B）第三对动物：第三对动物：3 3（A A），），3 3（B B） . . . . . . . .第十对动物：第十对动物：1010（A A），），1010（B B）实验设计2 2、随机化、随机化n n从附表从附表2 2随机排列表随机排列表第二行第一列第二行第一列开始，舍去开始，舍去10-1910-19之之间的数字，依次将随机数字抄写在对子号下。间的数字，依次将随机数字抄写在对子号下。n n事先规定：事先规定：单数：取单数：取A A、B B顺序，顺序， 双数：（双数：（0 0为双数）取为双数）取B B、A A顺序顺序对子号对子号1 12 23 34 45 56 67 78 89 91010ABABABABABABABABABABABABABABABABABABABAB随机数随机数8 87 76 62 25 59 90 01 14 43 3实验组实验组B BA AB BB BA AA AB BA AB BA A对照组对照组A AB BA AA AB BB BA AB BA AB B随机分配结果随机分配结果（大家自己整理一下）（大家自己整理一下）实验设计实验设计（三）随机区组设计（三）随机区组设计（randomizedblockdesignrandomizedblockdesign）随机分组 随机分组 随机分组 随机分组 预 选 对 象 研 究 对 象 纳入 标准 区组1区组2区组3区组n?按配伍条件 4 个水平4 个水平4 个水平4 个水平实验设计每每个个区区组组内内的的观观察察单单位位按按某某一一特特征征排排序序，如如体体重重从从轻轻到到重重。同同时时每每个个处处理理也也规规定定顺顺序序，如如处处理理A A对对应应序序号号为为1 1，处理处理B B对应序号为对应序号为2 2，处理，处理C C对应序号为对应序号为3 3， ，以此类推。，以此类推。 选选择择随随机机排排列列的的方方法法是是：每每个个试试验验对对象象取取2 2位位随随机机数数，用用随随机机数数从从小小到到大大排排列列后后的的序序号号决决定定处处理理的的排排列列顺顺序序，如如某某区区组组内内每每个个试试验验对对象象的的随随机机数数为为8383，1515，0505，2727，排排列列后后顺顺序序为为4 4，2 2，1 1，3 3，则则该该区区组组四四个个处处理理的的随随机机排排列列顺顺序序是是DBACDBAC。区组随机分组 实验设计 亦称配伍组设计。亦称配伍组设计。它是配对设计的扩大，它是配对设计的扩大，是将几个条件相同或近是将几个条件相同或近似的受试对象组成配伍组（即区组），再将每一配伍组的各受试似的受试对象组成配伍组（即区组），再将每一配伍组的各受试对象随机分配到处理组。对象随机分配到处理组。每个配伍组的受试对象数目取决于处理每个配伍组的受试对象数目取决于处理组的数目。组的数目。其优点其优点是每个配伍组的受试对象有较好的同质性，是每个配伍组的受试对象有较好的同质性，缩小了受试对缩小了受试对象间的个体差异，能提高实验效率，象间的个体差异，能提高实验效率，最大限度地满足了个处理组最大限度地满足了个处理组间的均衡；间的均衡；其缺点是要求配伍组内受试对象数与处理组数相同，其缺点是要求配伍组内受试对象数与处理组数相同，实验结果若实验结果若有缺失值，将降低统计效能。有缺失值，将降低统计效能。随机区组设计特点实验设计n n例：例：拟将已分成拟将已分成8 8个配伍组的个配伍组的3232个动物随机分配到个动物随机分配到A A、B B、C C、D D四个处理组四个处理组n n步骤：步骤：1 1、将、将3232个受试者按个受试者按既定条件分成的既定条件分成的8 8个配伍组进行编号个配伍组进行编号，1414号为第一配伍组，号为第一配伍组，5858号为第二配伍组号为第二配伍组余类推。余类推。2 2、按既定随机化方案，、按既定随机化方案，从随机排列表随机指定第从随机排列表随机指定第411411行，行，共共8 8行，从每行第行，从每行第1 1列（第一个随机数）开始，向右只取列（第一个随机数）开始，向右只取随机数随机数1414，其余数字舍去，其余数字舍去，将随机数依次标于各配伍组将随机数依次标于各配伍组的受试者下。的受试者下。 随机数随机数1 1、2 2、3 3、4 4依次分别代表依次分别代表A A、B B、C C、D D四种处理。四种处理。实验设计随机化方案实验设计实验设计Attention!n n同一研究对象（病人或动物），用不同的方法，或不同部位，不同时间对某一指标的结果也是一种配伍组（随机区组）设计！实验设计n n例：观察例：观察7 7只家兔注射某药物在体内不同时间对血糖浓度的变化。将只家兔注射某药物在体内不同时间对血糖浓度的变化。将7 7只家兔分别注射前、注射后只家兔分别注射前、注射后30min30min、60min60min、90min90min、120min120min抽血检抽血检查血糖浓度。即每一只家兔是一个区间（配伍组），不同时间就是处查血糖浓度。即每一只家兔是一个区间（配伍组），不同时间就是处理因素。结果如下：理因素。结果如下：受试受试家兔家兔注射前注射前注射后注射后30min30min60min60min90min90min120min120min1 14.654.654.604.604.154.153.903.903.453.452 2405240524.504.504.084.084.854.853.483.483 34.784.784.754.754.204.203.953.953.553.554 44.924.924.884.884.294.293.983.983.463.465 54.484.484.454.454.054.053.803.803.533.536 64.654.654.624.624.104.103.953.953.623.627 74.804.804.764.764.214.214.004.003.783.78注射某种药对不同家兔不同时间（分钟）的血糖浓度（nmol/L）引自：中国医学统计百科全书医学研究统计设计分册P31.实验设计课堂小结1 1、实验设计的三要素：受试对象、处理因素、实验设计的三要素：受试对象、处理因素 、实、实验效应验效应 2 2、实验设计的基本原则：对照的原则、随机化的原、实验设计的基本原则：对照的原则、随机化的原则则 、重复的原则、重复的原则 3 3、常用的实验设计方案：完全随机设计、配对设计、常用的实验设计方案：完全随机设计、配对设计、随机区组设计、交叉设计、析因设计形式，优缺随机区组设计、交叉设计、析因设计形式，优缺点。点。 实验设计思考题n n实验设计的三个基本原则是什么？实验设计的三个基本原则是什么？n n在临床试验中试验安慰剂的目的是什么？在临床试验中试验安慰剂的目的是什么？n n常用的实验设计方案有哪些？常用的实验设计方案有哪些？n n随机化的目的是什么？随机化的目的是什么？n n实验设计的基本要素包括哪些？实验设计的基本要素包括哪些？n n配对设计的目的是什么？配对设计的目的是什么？ 实验设计参考书目n n医学统计学医学统计学陆守曾主编，陆守曾主编，20022002年；年；n n医学统计学与电脑实验医学统计学与电脑实验方积乾主编，方积乾主编，20012001年；年；n n医学统计学医学统计学余松林主编，余松林主编，20002000年；年；n n现代医学统计学现代医学统计学方积乾、陆盈主编方积乾、陆盈主编20022002年年; ;实验设计Thanks！实验设计