1、實驗設計的基本要素降壓藥降壓藥高血壓病人高血壓病人血壓值血壓值處理因素處理因素受試對象受試對象實驗效應實驗效應實驗設計的基本原則對照原則對照原則 均衡原則均衡原則 隨機原則隨機原則 重復原則重復原則 常用醫學實驗設計常用醫學實驗設計Medical Experimental Design 梁海燕梁海燕新鄉醫學院公共衛生學院新鄉醫學院公共衛生學院（一）完全隨機設計（一）完全隨機設計（二）配對設計（二）配對設計（三）隨機區組設計（三）隨機區組設計常用實驗設計方案（四）拉丁方設計（四）拉丁方設計（五）析因設計（五）析因設計（六）正交設計（六）正交設計一、完全隨機設計一、完全隨機設計(completel

2、y (completely random design)random design)完全隨機設計完全隨機設計將實驗對象完全隨機地分配到將實驗對象完全隨機地分配到實驗組與對照組（或多個處理組）中然后分別給實驗組與對照組（或多個處理組）中然后分別給予被試因素及對照物，對它們的效應進行同期平予被試因素及對照物，對它們的效應進行同期平行觀察，最后對實驗結果進行成組統計分析。行觀察，最后對實驗結果進行成組統計分析。完全隨機設計亦稱單因素設計，即只有完全隨機設計亦稱單因素設計，即只有1 1種種處理因素，但可以有多個水平。處理因素，但可以有多個水平。一、完全隨機設計受試對象受試對象實驗組實驗組1，2，對照組

3、對照組隨機化隨機化各組樣本含量可以相等，也可以不等，各組樣本含量可以相等，也可以不等，但但相等時統計分析效率最高。相等時統計分析效率最高。完全隨機化分組方法完全隨機化分組方法1.1.將受試對象依次編號將受試對象依次編號; ;2.2.用抽簽法、用抽簽法、隨機數字表法隨機數字表法、隨機排列表法隨機排列表法把受試對象隨機分配到各處理組中去。把受試對象隨機分配到各處理組中去。完全隨機設計的隨機分配方法完全隨機設計的隨機分配方法 樣本例數樣本例數 2020，使用，使用隨機排列表隨機排列表 樣本例數樣本例數 2020，使用，使用隨機數字表隨機數字表1. 1. 將動物依次編號將動物依次編號1 1，2 2，.

4、18.182. 2. 從隨機數字表中從隨機數字表中從任一數字開始向任一方向從任一數字開始向任一方向查出查出1818個隨機數字，依次抄錄于動物編號個隨機數字，依次抄錄于動物編號下面下面3. 3. 按預先規定，將隨機數字為偶數者分入按預先規定，將隨機數字為偶數者分入A A組，組，為奇數者分入為奇數者分入B B組組4. 4. 組間調整組間調整方法一、隨機數字表法分組方法一、隨機數字表法分組例例1 1 試將性別相同、體重相近的試將性別相同、體重相近的1818只實驗只實驗動物等分到動物等分到A A、B B兩組。兩組。動動物物號號123456789101112131415161718隨隨機機數數字字162

5、277943949544354821737932378873520組組別別AABABBABAABBBBABBA用隨機數字表進行分組用隨機數字表進行分組初步分配結果初步分配結果組組別別動物號動物號A12479101518B3568111213141617組間調整：接著摘抄一個隨機數字，組間調整：接著摘抄一個隨機數字，9696，除以，除以1010的余數為的余數為6 6，故把，故把1212號動物分至號動物分至A A組中。組中。 最終分配結果最終分配結果組組別別動物號動物號A1247910151812B356811131416171. 1. 將動物依次編號將動物依次編號1 1，2 2，.30.302.

6、 2. 從隨機數字表中從隨機數字表中從任一數字開始向任一方向從任一數字開始向任一方向查出查出3030個隨機數字，依次抄錄于動物編號下面個隨機數字，依次抄錄于動物編號下面3. 3. 求出每個隨機數字被求出每個隨機數字被3 3除后的余數除后的余數4. 4. 按預先規定，將余數為按預先規定，將余數為0 0者分入者分入A A組，為組，為1 1者分入者分入B B組，為組，為2 2者分入者分入C C組。組。5. 5. 組間調整組間調整方法一、隨機數字表法分組方法一、隨機數字表法分組例例2 2 試將性別相同、體重相近的試將性別相同、體重相近的3030只實只實驗動物等分到驗動物等分到A A、B B、C C三組

7、。三組。方法二、隨機數字表法分組方法二、隨機數字表法分組對象對象編號編號123456789101112131415隨機隨機數字數字除以除以3的余的余數數組別組別對象對象編號編號161718192021222324252627282930隨機隨機數字數字除以除以3的的余數余數組別組別方法二、隨機數字表法分組方法二、隨機數字表法分組對象對象編號編號123456789101112131415隨機隨機數字數字495443548217379323788735209643除以除以3的余的余數數101012102002201組別組別BABABCBACAACCAB對象對象編號編號161718192021222

8、324252627282930隨機隨機數字數字842634916484421753315724550688除以除以3的的余數余數021110022100101組別組別ACBBBAACCBAABAB初步分配結果初步分配結果組間調整：組間調整：1.1.從隨機數字表中接著查一隨機數字，從隨機數字表中接著查一隨機數字，7777，除以，除以1212，余，余5; 5; ，則將則將A A組中的第組中的第5 5只只“1111號號”分至分至C C組；組；組組別別動物號動物號A248101114162122262729B135715181920252830C691213172324組間調整組間調整1 1 組間調整

9、：組間調整：1.1. 從隨機數字表中接著查一隨機數字，從隨機數字表中接著查一隨機數字，7777，除以，除以1212，余，余5 5，則將，則將A A組中的第組中的第5 5只只“1111號號”分至分至C C組組；2.2.從隨機數字表中接著查一隨機數字，從隨機數字表中接著查一隨機數字，0404，除以，除以1111，余，余4 4，則將則將A A組中的第組中的第4 4只只“1010號號”分至分至C C組；組；組組別別動物號動物號A2481014162122262729B135715181920252830C69121317232411組間調整組間調整2 2組間調整：組間調整：1.1. 從隨機數字表中接著

10、查一隨機數字，從隨機數字表中接著查一隨機數字，7777，除以，除以1212，余，余5 5，則將，則將A A組中的第組中的第5 5只只“1111號號”分至分至C C組組；2.2. 從隨機數字表中接著查一隨機數字，從隨機數字表中接著查一隨機數字，0404，除以，除以1111，余，余4 4，則將，則將A A組中的第組中的第4 4只只“1010號號”分至分至C C組組；組組別別動物號動物號A24814162122262729B135715181920252830C6912131723241110組間調整組間調整3 3組間調整：組間調整：1.1. 從隨機數字表中接著查一隨機數字，從隨機數字表中接著查一隨

11、機數字，7777，除以，除以1212，余，余5 5，則將，則將A A組中的第組中的第5 5只只“1111號號”分分至至C C組組；2.2. 從隨機數字表中接著查一隨機數字，從隨機數字表中接著查一隨機數字，0404，除以，除以1111，余，余4 4，則將，則將A A組中的第組中的第4 4只只“1010號號”分分至至C C組；組；3.3.從隨機數字表中接著查一隨機數字，從隨機數字表中接著查一隨機數字，7474，除以，除以1111，余，余8 8，則將則將B B組中的第組中的第8 8只只“2020號號”分至分至C C組；組；組組別別動物號動物號A24814162122262729B1357151819

12、20252830C6912131723241110最終分配結果最終分配結果組組別別動物號動物號A24814162122262729B1357151819252830C691213172324111020各組接受何種處理也要隨機化。各組接受何種處理也要隨機化。例例1 1 試將性別相同、體重相近的試將性別相同、體重相近的1818只實驗動物等分到只實驗動物等分到A A、B B兩組。兩組。 1.1.將實驗動物編號。將實驗動物編號。2.2.查隨機排列表：隨機指定第查隨機排列表：隨機指定第6 6行，舍去行，舍去18181919字，將字，將0 01717之間的數字依次錄于動物號下。之間的數字依次錄于動物號下

13、。3.3.預先規定，將隨機數字為預先規定，將隨機數字為0 08 8者分入者分入A A組，組，9 91717者分入者分入B B組。組。編號編號 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18隨機數隨機數組組 別別方法二、隨機排列表法分組方法二、隨機排列表法分組動動物物號號123456789101112131415161718隨隨機機數數字字11215141081211743091661375組組別別BABBBABABAAABBABA A隨機排列表法分組隨機排列表法分組最終分配結果最終分配結果組組別別動物號動物號A268101112151718B13457

14、9131416一、完全隨機設計優點：優點：簡單易行。簡單易行。實驗中個別發生意外情況對實驗結果影響不大。實驗中個別發生意外情況對實驗結果影響不大。缺點：缺點：一次實驗只能分析比較一個因素的實驗效應。一次實驗只能分析比較一個因素的實驗效應。沒有控制混沒有控制混雜因素在各組的影響，實驗效率較低。雜因素在各組的影響，實驗效率較低。要求樣本含量相對較大要求樣本含量相對較大完全隨機設計分析方法(計量資料)兩個處理組為小樣本時，可以考慮兩個樣本均兩個處理組為小樣本時，可以考慮兩個樣本均數比較的數比較的檢驗或秩和檢驗檢驗或秩和檢驗(Wilcoxon(Wilcoxon兩樣本比兩樣本比較法較法) )。兩個處理組

15、為大樣本時兩個處理組為大樣本時, ,可以用兩個樣本均數可以用兩個樣本均數比較的比較的檢驗。檢驗。多個處理組時可以考慮單因素方差分析法或秩多個處理組時可以考慮單因素方差分析法或秩和檢驗和檢驗(Kruskal Wallis(Kruskal Wallis法法) )。 例例1 1 高黏綜合征患者血沉較快，某醫生采用完全高黏綜合征患者血沉較快，某醫生采用完全隨機設計觀察隨機設計觀察A A、B B兩個降黏藥物對血沉（兩個降黏藥物對血沉（mm/1hmm/1h）的影響，結果如下表，試做統計分析。的影響，結果如下表，試做統計分析。A藥組病例號次125781112151619治前血沉404336414037383

16、83539治后血沉36353029302828302730前后差值4861210910889B組藥病例號次3469101314171820治前血沉39403943383640414045治后血沉20253023242024202528前后差值1915920141616211517假設檢驗假設檢驗HH0 0： A A=B B，HH1 1： A AB B，=0.05=0.05（1 1）治前兩組可比性檢驗：）治前兩組可比性檢驗：n n1 1=n=n2 2=10=10，采用成組，采用成組t t檢驗。檢驗。A A藥組：藥組：X X1 1=38.7=38.7，S SA A=2.4=2.4B B藥組：藥組：

17、X X2 2=40.1=40.1，S SA A=2.5=2.5t =(Xt =(X1 1-X-X2 2)/)/（s s1 12 2+s+s2 22 2）/n=1.277/n=1.277根據根據=18=18，查表查表t t0.20.2(18)=1.330(18)=1.330，t t0.40.4(18)=0.862,0.2P0.4(18)=0.862,0.2P0.4，故認為兩組治療前血沉是可比的。故認為兩組治療前血沉是可比的。（2 2）A A藥組治療前后比較：藥組治療前后比較：n=10n=10，采用配對，采用配對t t檢驗。檢驗。治療后治療后X XA A=30.3=30.3，S SA A=2.9=

18、2.9，前后差值均數前后差值均數d=8.4d=8.4，標準差標準差s=2.2s=2.2T=12.074T=12.074，查表得查表得P0.01P0.01，故可認為，故可認為A A藥治療前后血沉顯著降低。藥治療前后血沉顯著降低。（3）B B藥組治療前后比較：藥組治療前后比較：n=10n=10，采用配對，采用配對t t檢驗。檢驗。治療后治療后X XB B=23.9=23.9，S SB B=3.4=3.4，前后差值均數前后差值均數d=16.2d=16.2，標準標準差差s=3.4s=3.4T=15.067T=15.067，查表得查表得P0.01P0.01，故可認為，故可認為B B藥治療前后血沉藥治療前

19、后血沉顯著降低。顯著降低。（4 4）A A、B B兩藥療效比較：兩藥療效比較： n n1 1=n=n2 2=10=10，對兩組治療前后對兩組治療前后差值均數采用成組差值均數采用成組t t檢驗。檢驗。t=6.091t=6.091，查表得查表得P0.01P0.01，故可認為故可認為B B藥降低血沉的療效藥降低血沉的療效顯著優于顯著優于A A藥的療效。藥的療效。例例2 2 比較比較A A、B B兩種藥物對出血時間（分）的影兩種藥物對出血時間（分）的影響，結果是響，結果是A A藥組（藥組（n=8n=8）：）：4.54.5，6.46.4，7.07.0，7.67.6，7.87.8，8.58.5，8.68.

20、6，8.98.9； B B藥組（藥組（n=10n=10）：）：7.47.4，8.28.2，8.48.4，8.88.8，8.98.9，9.09.0，9.29.2，9.69.6，10.210.2，11.411.4。試問兩組出血時間差異有無統計試問兩組出血時間差異有無統計學意義？學意義？（1 1）將兩組數據混合由小至大編排秩次）將兩組數據混合由小至大編排秩次數據4.56.47.07.47.67.88.28.48.58.68.88.98.99.09.29.610.211.4組別AAABAABBAABBABBBBB秩次123456789101112131415161718（2 2）計算秩和：）計算秩和：

21、T TA A=1+2+3+5+6+9+10+12.5=48.5=1+2+3+5+6+9+10+12.5=48.5T TB B=4+7+8+11+12.5+14+15+16+17+18=12=4+7+8+11+12.5+14+15+16+17+18=122.52.5如果計算正確，如果計算正確，T TA A+T+TB B=(n=(n1 1+n+n2 2)(n)(n1 1+n+n2 2+1)/2+1)/2如此式不等，則計算有誤。如此式不等，則計算有誤。T TA A+T+TB B=48.5+122.5=171=48.5+122.5=171(n(n1 1+n+n2 2)(n)(n1 1+n+n2 2+1

22、)/2=18+1)/2=18* *19/2=17119/2=171（3 3）判斷：）判斷：T TA A較小，較小，P0.05P2.58U2.58，P0.01P0.01，因此可以認為服用匹林，因此可以認為服用匹林能夠降低血液透析并發血栓形成的發生率。能夠降低血液透析并發血栓形成的發生率。（一）完全隨機設計（一）完全隨機設計（二）配對設計（二）配對設計（三）隨機區組設計（三）隨機區組設計常用實驗設計方案（四）拉丁方設計（四）拉丁方設計（五）析因設計（五）析因設計（六）正交設計（六）正交設計二、配對設計二、配對設計（paired designpaired design）配對設計配對設計指的是指的是受

23、試對象相同或基受試對象相同或基本齊同本齊同的實驗設計，是將受試對象按某的實驗設計，是將受試對象按某些特征或條件配成對子，然后分別把每些特征或條件配成對子，然后分別把每對中的兩個受試對象隨機分配到實驗組對中的兩個受試對象隨機分配到實驗組與對照組與對照組( (或不同處理組或不同處理組) )。二、配對設計二、配對設計受試對象配對的特征或條件，主要是指年齡、受試對象配對的特征或條件，主要是指年齡、性別、體重、環境條件等非實驗因素，性別、體重、環境條件等非實驗因素，不要以實驗不要以實驗因素作為配對條件因素作為配對條件。根據受試對象來源的不同，分為同源配對根據受試對象來源的不同，分為同源配對 (homog

24、enetic matching)(homogenetic matching)（包括前后配對和左右配包括前后配對和左右配對對）和異源配對和異源配對(hetero-genetic matching)(hetero-genetic matching)兩種。兩種。同源配對同源配對(homogenetic matching)(homogenetic matching)又稱同體配對又稱同體配對(homobody matching),(homobody matching),即試驗和即試驗和對照在同一受試個體身上進行觀察的方法，分為對照在同一受試個體身上進行觀察的方法，分為4 4種種類型：類型：(1)(1)同

25、一受試對象處理前、后的數據；同一受試對象處理前、后的數據；(2)(2)同一受試對象兩個部位的數據；同一受試對象兩個部位的數據；(3)(3)同一受試對象、同一樣品用兩種方法或儀器同一受試對象、同一樣品用兩種方法或儀器檢測結果；檢測結果；(4)(4)用同一方法或儀器檢測同一受試對象不同標用同一方法或儀器檢測同一受試對象不同標本的檢測結果。本的檢測結果。 異源配對異源配對(heterogenetic matching)(heterogenetic matching)將受試對象按照一定的條件（依專業知識確將受試對象按照一定的條件（依專業知識確定），將條件相同的個體配成對子，然后在對定），將條件相同的個

26、體配成對子，然后在對子內部按照隨機方法分配至實驗組，最后對其子內部按照隨機方法分配至實驗組，最后對其結果以配對分析的統計方法加以處理。結果以配對分析的統計方法加以處理。例如：例如： 取同窩別、同性別、體重近似的取同窩別、同性別、體重近似的2 2只動物配只動物配對；對； 將病種、病型、病情及其它影響療效的主要將病種、病型、病情及其它影響療效的主要因素一致的病人配成對子；因素一致的病人配成對子；二、配對設計二、配對設計例例3 3 將樣本中將樣本中2020例受試對象按性別相同、年齡、例受試對象按性別相同、年齡、工作性質相近者配成對子，共工作性質相近者配成對子，共1010對。用隨機排列表對。用隨機排列

27、表將每對中的兩個受試對象隨機分配到甲、乙兩個處將每對中的兩個受試對象隨機分配到甲、乙兩個處理組中。理組中。配對設計方法配對設計方法1. 1. 先將先將1010對受試者編號，如第一對第對受試者編號，如第一對第1 1受試者受試者編為編為1.11.1，第，第2 2受試者編為受試者編為1.21.2，余仿此。，余仿此。2. 2. 再隨機指定隨機排列表第再隨機指定隨機排列表第2 2行，舍去行，舍去10101919之間的數字，并規定單數取甲、乙順序，雙數取乙、之間的數字，并規定單數取甲、乙順序，雙數取乙、甲順序。甲順序。配對設計配對設計分配結果分配結果組別組別受試者編號受試者編號甲甲1.22.13.24.2

28、5.16.17.28.19.210.1乙乙1.12.23.14.15.26.27.18.29.110.2二、配對設計優點：優點：提高組間均衡性和統計效率，減少抽樣誤差；提高組間均衡性和統計效率，減少抽樣誤差；樣本含量較小；樣本含量較小；統計分析方法簡單。統計分析方法簡單。缺點：缺點：設計復雜；設計復雜；配對失敗或配對欠佳時，會降低實驗效率；配對失敗或配對欠佳時，會降低實驗效率；觀察對象要經過挑選觀察對象要經過挑選，易損失樣本含量；易損失樣本含量；延長實驗時間延長實驗時間，對子間的條件易發生變化。對子間的條件易發生變化。配對設計配對設計適用條件適用條件: : a. a.保證實驗個體與對照個體保證

29、實驗個體與對照個體沒有相互干擾沒有相互干擾。 b. b.自身配對試驗適用于自身配對試驗適用于短期對比或急性實驗短期對比或急性實驗。 c.c.對人進行異體配對對人進行異體配對，所控制的條件不可能是所控制的條件不可能是很嚴格的很嚴格的。一般只能根據一般只能根據2-32-3個因素配對個因素配對。因此因此, ,每對的配對條件盡限每對的配對條件盡限2-32-3項項，若對比其它因素時若對比其它因素時, ,還需要重新進行配對還需要重新進行配對。配對設計數據分析 效應指標為數值變量效應指標為數值變量 參數檢驗：配對參數檢驗：配對t t 檢驗（差值檢驗（差值 t t 檢驗）；檢驗）； 非參數檢驗：非參數檢驗：W

30、ilcoxonWilcoxon符號秩和檢驗；符號秩和檢驗； 效應指標為分類變量效應指標為分類變量 配對四格表（配對四格表（2 22 2列聯表）列聯表） 2 2 檢驗。檢驗。前后配對設前后配對設計計例例1 1 對血小板活化模型大鼠以對血小板活化模型大鼠以ASAASA進行實驗性治療，進行實驗性治療，以血漿以血漿11-DH TXB11-DH TXB2 2（ng/Lng/L）為指標，其結果如為指標，其結果如下，試進行統計分析。下，試進行統計分析。大鼠號12345678910給藥前250226180356280210276326208176給藥后18420518224819620421427420017

31、5前后差值6621-2108846625280 假設檢驗：假設檢驗：HH0 0： d d=0=0，H H1 100，=0.05=0.05以前后差值進行基本統計得：以前后差值進行基本統計得：n=10n=10，d=40.5d=40.5，s=39.1s=39.1代入公式代入公式t=d/(s/n)=3.275t=d/(s/n)=3.275=10-1=9=10-1=9查查t t界值表得界值表得P0.05P0.05，故可認為使用，故可認為使用ASAASA后后血漿中血漿中11-DH TXB11-DH TXB2 2明顯降低。明顯降低。前后配對設計前后配對設計例例2 2 某大夫以腎性高血壓大鼠觀察血管緊張某大夫

32、以腎性高血壓大鼠觀察血管緊張素轉化酶抑制劑素轉化酶抑制劑BBNMBBNM對動脈血壓（對動脈血壓（kpakpa）的影響，結果如下表，試以符號秩和檢驗判的影響，結果如下表，試以符號秩和檢驗判斷其療效如何。斷其療效如何。鼠號12345678910降壓值2.12.40.61.41.01.5-0.42.01.6-0.8假設檢驗：H0：Md=0，H1：Md0，=0.05（1 1）將差數由小至大排出秩次并標出正負。）將差數由小至大排出秩次并標出正負。降降壓壓值值0.40.40.60.60.80.81.01.01.41.41.51.51.61.62.02.02.12.12.42.4秩秩次次-1-12 2-3-

33、34 45 56 67 78 89 91010（2 2）計算）計算T T值：在正負秩次中，負數小者只有值：在正負秩次中，負數小者只有2 2個，其個，其秩次之和為秩次之和為4 4，故故T T為為4 4。（3 3）判斷：查符號秩和檢驗用）判斷：查符號秩和檢驗用T T界值表，當界值表，當n=10n=10時，時，若按雙側檢驗若按雙側檢驗T0.05=8T0.05=8，故故P0.05P0.05，故可認為，故可認為BBNMBBNM對大鼠腎性高血壓具有明降降壓作用。對大鼠腎性高血壓具有明降降壓作用。配對設計與完全隨機設計的比較配對設計與完全隨機設計的比較 標準誤的大小標準誤的大小配對設計的標準誤配對設計的標準

34、誤S Sd d=(s=(s1 12 2+s+s2 22 2)-2rs)-2rs1 1s s2 2/n/n完全隨機設計的標準誤完全隨機設計的標準誤S SX1-X2X1-X2=(s=(s1 12 2+s+s2 22 2)/n)/n配對實驗標準誤的大小取決于相關系數配對實驗標準誤的大小取決于相關系數r r的性質，只有當的性質，只有當r r為正值時，配對設計實驗為正值時，配對設計實驗的的S Sd d才有可能小于完全隨機設計實驗的才有可能小于完全隨機設計實驗的S SX1-X2X1-X2。例例1 1 現有現有7 7對實驗數據（事先為配對設計）對實驗數據（事先為配對設計）對子數對子數1 12 23 34 4

35、5 56 67 7A A組組4.84.85.25.25.95.94.84.84.54.55.45.46.26.2B B組組3.33.35.05.04.14.14.64.64.44.45.25.25.15.1差數差數1.51.50.20.21.81.80.20.20.10.10.20.21.11.1將將7 7對數據進行相關分析得相關系數對數據進行相關分析得相關系數r=0.382r=0.382，說明配對說明配對基本成功，故按配對基本成功，故按配對t t檢驗處理得檢驗處理得t=2.676t=2.676，P0.05P0.05P0.05。例例2 2 現有現有6 6對實驗數據（事先為配對設計）對實驗數據（事先為配對設計）對子數對子數1 12 23 34 45 56 6A A組組111110109 9111112121010B B組組9 9111110108 88 88 8差數差數2 2-1-1-1-13 34 42 2將將6 6對數據進行相關分析得相關系數對數據進行相關分析得相關系數r=-0.603r=-0.6