第十四章實驗設計概述實驗設計的基本要素實驗設計的基本原則常用的實驗設計方案樣本含量的估計臨床實驗設計一、實驗設計概述專業設計選題、查閱文獻、假說、預試驗統計設計：對象、分組、數量、指標、分析方法設計好：(1)既省又可靠 (2)可估計誤差 (3)獲取多方面知識設計不好：(1)雜亂無章、雖多猶無 (2)只能羅列現象、無規律可言根據是否主動施加干預分為:實驗性研究(人為給予干預措施)在人工控制的條件下考慮客觀事物優點:較好的排除外界因素的干擾,避免偏倚,組間均衡性較好多見藥物、手術、物理療法，健康教育等觀察性研究(不施加干預)以客觀、真實的觀察為依據特點：被動的觀察、如實的記錄二、實驗設計的基本要素受試對象處理因素實驗效應其他因素處理因素受試對象實驗效應其他效應降壓藥高血壓病人血壓值（一）受試對象處理因素作用的客體選擇：動物實驗——動物臨床實驗——患者社區干預實驗——正常人群

要求：對處理因素敏感反映必須穩定同質性：動物—種類、品系、窩別、體重等患者—診斷明確、性別、年齡、病情、病程、依從性等正常人—民族、職業、文化程度、經濟狀況一般臨床上對受試對象要明確其納入標準和排除標準。（二）處理因素根據研究目的確定的欲施加或欲觀察的，并能引起受試對象直接或間接效應的因素。可以是生物的、化學的或是物理的可以是主動施加的或是客觀存在的各因素在數量和強度上可有不同，分單（多）因素、單（多）水平非處理因素：對實驗結果有影響的干擾因素也稱混雜因素。（控制、平衡）確定處理因素時應注意的事項：1、抓住主要因素2、明確處理因素和非處理因素3、處理因素在整個實驗過程中要標準化，即保持不變。藥品：成分、用法、用法、廠家、批號等監測方法：具體方法、原理，操作常規儀器：名稱、產地、型號、精密度等實驗條件：明確規定要控制的條件觀察時間：統計具體的觀察時間（三）實驗效應處理因素作用于受試對象的反應，通過各項指標反映。計數指標：如有效、無效，陰性、陽性計量指標：可測量的，如檢驗指標指標的選擇要求1、關聯性，指標是否有針對性2、客觀性①通過測量和檢驗得到的指標是客觀指標②受試者回答或醫生自己判斷的是主觀指標③一些表明看來是客觀的，卻帶有主觀性。如x光片、心電圖

3、精確性①準確度：觀察值與真值的接近程度，越接近則會越準確。（）②精密度：重復觀察時，觀察值與其平均值的接近程度（S越小精密度越高）4、指標的觀察避免偏性：研究者、醫護人員、受試者因此采用盲法：單盲－受試者雙盲－受試者、醫護人員三盲－受試者、醫護、統計人員對于危急和重癥病人不能采用盲法。實驗誤差及其控制實驗研究的每個環節都存在誤差，會影響結果的真實性和科學性。按誤差的性質將其分為：1、系統誤差：由未發現未確定的因素引起觀測值具有方向性和系統性的誤差，又稱偏倚。2、偶然（隨機）誤差：無法控制的微小因素引起3、抽樣誤差：個體差異引起系統誤差類型及其控制

類型發生階段控制

選擇偏倚設計隨機化測量偏倚實施盲法混雜偏倚分析配對、分層

誤差的控制隨機化：在隨機抽樣和隨機分組的前提下增大觀察例數，提高樣本中個體的同質性，組間均衡。重復實驗實驗因素標準化實驗人員技術水平，素質的提高三、實驗設計的原則對照原則隨機化原則重復原則（一）對照原則對照的意義1、排除和控制自然變化和非處理因素對觀察結果的影響。

2、消除或減少實驗誤差處理因素非處理因素+處理效應+非處理效應非處理因素非處理效應處理因素處理效應實驗組：對照組：比較結果：藥物治療例:老年性慢性支氣管炎氣候轉暖,自然緩解設立對照應注意的事項1、均衡可比對照組和實驗組除了處理因素不同外，其他一切因素都應盡量保持一致。2、同步對照組和實驗組應處于同一空間和同一時間對照的形式包括：安慰劑對照、空白對照、實驗對照、自身對照、標準對照安慰劑對照對照組使用沒有藥理作用的“假藥”，起安慰作用。克服心理因素造成的偏倚。空白對照對照組不接受任何處理因素。例如：試驗組接種疫苗，對照組不接種疫苗特點：簡單易行，但因非盲造成心理差異影響結果的可靠性。

實驗對照（施加基礎實驗條件）在某種有關的實驗條件下進行觀察的對照。對照組不施加處理因素但施加某種實驗因素。含賴氨酸面包+非處理因素→賴氨酸效應+面包效應+非處理因素效應

面包+非處理因素→面包效應+非處理因素效應賴氨酸賴氨酸效應面包即為施加的基礎實驗條件，即非處理因素標準對照用現有標準值或正常值做對照。例如患者的生理生化指標和正常人的生理生化指標做對照。自身對照對照與實驗在同一受試者身上進行，如用藥前后作為對比。一般情況下還要求設立平行對照組。相互對照這種對照不設立對照組，而是兩個或幾個試驗組相互對照。例如：幾種藥物治療同一疾病的療效。配對對照把研究對象條件相同的兩個配成一對，分別給以不同的處理因素，對比兩者之間的不同效應。配對對照常用于動物實驗，臨床試驗也可采用，但嚴格地說，很難找到相同或十分相似的對子。歷史對照（又稱文獻對照或回顧對照）以本人過去的研究或他人研究結果與本次研究結果做對照。要求研究因素表現性非常強，而干擾因素非常弱時使用（二）隨機化原則指每個受試對象有同等的機會被抽取或分到不同的試驗組和對照組。它使不可控制的混雜因素在試驗組和對照組的影響相當。隨機與隨意隨機—機會均等，有客觀性隨意—隨主管的意愿，有主觀性隨機的三個含義：抽樣的隨機—代表性每個符合條件的受試對象被抽取的機會相等。分組的隨機—均衡性每個受試對象被分到各組的機會相等。實驗順序的隨機—平衡順序的影響每個受試對象先后接受處理的機會相等。隨機化的實施（如何進行隨機分配）抽簽擲硬幣

隨機數字表計算機產生偽隨機數

完全隨機方法隨機數字表內數字相互獨立，全部數字無論從橫行、縱行或斜向等各種順序均呈隨機狀態。因此，使用時可從任何一個數字開始，按任意一個順序錄用。方法：1、編號2、產生隨機數字3、歸組例如，擬將12只大鼠隨機分入甲、乙兩組，每組6名。應先把受試者按體重由小到大編號，然后從隨機數字表任意一處查出12個隨機數，遇到相同的隨機數則去掉（如從“隨機數字表“第35行第1列向右查）。并將隨機數由小到大編秩（秩次R），令R為1～6者分入甲組，R為7～12者分入乙組。動物編號123456789101112隨機數字699206341359717417322755秩次R912162810113547分組結果乙乙甲甲甲乙乙乙甲甲甲乙分層隨機化首先對混雜因素進行分層，然后在每層進行完全隨機化。例如，擬對比A，B，C三種方法治療乙型腦炎的療效，將受試者入院時間（季節）作為配比因素，將入院時間相鄰的三位患者作為一個區組，試分配處理。每個受試者取一個2位隨機數，且按區組分別排列，序號1，2，3分別對應處理A，B，C。各區組的隨機排列結果如下。隨機數隨機數序號隨機排列結果區組（入院時間）患者1患者2患者3患者1患者2患者3患者1患者2患者31690175213BAC2186581123ABC3852250312CAB4885076312CAB5058724132ACB..........…....……6906416321CBA隨機排列表：用于兩組例數相等時隨機數字表：兩組數字可能不相等，但可以用R值調節。例：按完全隨機設計方法將15名患者隨機分為甲、乙、丙三組。先按患者的就診順序編號；再從隨機排列表中任意指定一行，如第21行，依次將0～14之間的隨機數字錄于各患者編號下（遇14以上的數字應舍去）；按預先規定，將隨機數字為0～4的患者分入甲組，5～9的患者分入乙組，10～14的患者分入丙組。結果如下：患者編號123456789101112131415隨機數字12138470111514361092處理組別丙丙乙甲乙甲丙甲乙丙甲乙丙乙甲（三）重復原則通過隨機抽樣與分組，已經很大程度上抵消了非處理因素造成的偏差。但由于存在個體變異，因此需要通過增加樣本含量來見效樣本均數的標準誤從而降低抽樣誤差。

所謂重復時在相同的實驗條件下進行多次研究或觀察，提高實驗的可靠性和科學性。重復包括三種形式：（1）整個實驗的重復（實驗的重現性）（2）用多個受試對象進行重復（樣本含量）（3）同一受試對象的重復觀察（觀測結果的精度）

實驗組與對照組的例數相等時，實驗效率高；計量資料的實驗效率高于計數資料；配對設計的實驗效率高于分組設計。四、常用的試驗設計方案完全隨機設計將受試對象隨機的分配到試驗組與對照組或幾個對比組中。每組例數可以相等（稱平衡設計）也可以不等（稱非平衡設計）。平衡設計的檢驗效率較高，推薦使用。優點：設計簡單，易于實施缺點：沒有考慮個體差異，組間均衡性較差要求樣本含量較大，一次實驗只能分析一個因素例：設有同性別的動物12頭，要求用隨機方法將其分為甲、乙兩組。（1）編號：按動物體重依次編號為1,2,3,…,12號。（2）產生隨機數字：對于每一個編號，依次由計算器（計算機）產生隨機數（共12次）。（3）歸組：事先規定將較小隨機數的6只動物分入甲組，其他6只動物分入乙組。配對設計將受試對象按配對條件配成對子，每對中的個體接受不同的處理。配對的因素是非處理因素。

優點：受試對象間的個體差異小改善處理組間的均衡性，提高試驗效率。缺點：配對欠佳時，反而會降低效率。1.同源配對（自身配對）：同一受試對象用兩種不同的實驗方法；受試對象自身左右或者實驗前后的對比。2.非同源配對（異體配對）：將具有相同條件的實驗對象配成對子。例：將已按近似條件配好的10對小白鼠，用隨機方法分配到實驗組和對照組。（1）編號：對小白鼠進行對子編號，同時每個對子內的二只小白鼠也分別編號。（2）產生隨機數字：對于每一組合編號，依次由計算器（計算機）產生隨機數（共20個）。（3）歸組（對子內兩只小白鼠的隨機）：事先規定每個對子內隨機數字較小者分配到對照組；隨機數字較大者分配到實驗組。

隨機區組設計（配伍組設計）實際上是配對設計的擴展。（1）將多方面條件相近的受試對象配成一組，稱作一個區組（block）。（2）每個區組的受試對象個數取決于對比組組數。

(3)每個區組的受試對象被隨機地分配到各對比組中。 A接受甲處理實驗對象→配成區組→隨機分配區組中B接受乙處理 C接受丙處理 D接受丁處理隨機分組

隨機分組

隨機分組

隨機分組

預

選

對

象

研

究

對

象

納入

標準

區組1

區組2

區組3

區組n

?

?

?

按配伍

條件

4個水平

4個水平

4個水平

4個水平

優點：每個配伍組的受試對象有較好的同質性，縮小了受試對象間的個體差異，能提高實驗效率，最大限度地滿足了個處理組間的均衡缺點：要求配伍組內受試對象數與處理組數相同，實驗結果若有缺失值，將降低統計效能交叉設計它是在自身前后配對設計的基礎上發展起來的它可在同一病人身上觀察兩種或多種處理因素的效應。設計：配對分組:1組先A后B2組先B后A（階段Ⅰ）（階段Ⅱ）確定病人A處理(測量)B處理(測量)間歇期B處理(測量)A處理(測量)納入標準階段Ⅰ階段Ⅱ成組交叉設計配對交叉設計后者較好，但實施配對并不容易交叉設計應該注意的主要問題：1、基本前提各處理方式不能相互影響，處理之間應有適當的間隔-清除階段。兩次觀察的時間不能過長，處理效應不能持續過久。2、不適宜于具有自愈傾向或病程較短的疾病研究。優點：節約樣本含量；能夠控制個體差異，減少誤差缺點：處理時間不能太長；受試對象中途退出或狀態發生變化造成數據缺失。例：某研究者擬采用交叉設計觀察A、B兩種藥物治療18例高血壓病患者的療效。（1）編號：將受試者分別編號為1、2、3、4、…、17、18號。（2）產生隨機數字：由計算器（計算機）產生18個隨機數。（3）歸組：隨機數字較小的一半患者先用A藥后用B藥；較大的一半患者先用B藥后用A藥。

例：某麻醉醫生研究催醒寧對氟呱啶的作用。擬用6只大鼠作此實驗，均于腹腔注射氟呱啶40ml/kg和硫酸阿托品0.05ml/kg，在大鼠入睡后15分鐘，腹腔注射催醒寧0.5mg/kg和等量生理鹽水為對照藥物，考察催醒寧對氟呱啶的作用。以用藥后動物出現蹲和走動的時間為觀測指標。析因設計將兩個或多個試驗因素的各個水平進行組合，對各種可能的組合都進行試驗。用于分析各因素間的交互作用。尋找最佳組合。總的實驗組數等于各因素水平數的乘積。例如，兩個因素各有3個水平時，實驗組數為3×3=9；四個因素各有2個水平時，實驗組數為24=16。所以，因素數和各因素的水平數不宜過多。一般因素數不超過4，水平數不超過3。

優點：效率較高，不僅能夠分析各因素內部不同水平間有無差別，還具有分析各種組合的交互作用的功能。

缺點：工作量較大，因此研究的因素和水平不宜過多。例某醫師欲研究A、B兩藥是否有治療缺鐵性貧血的作用，以及兩藥間是否存在交互作用。用何試驗設計可達到研究者的研究目的，并做出設計分組。

用A1、A2和B1、B2分別表示“用”與“不用”A藥和B藥；按2×2析因設計有4個實驗組，分別為A1B1、A1B2、A2B1和A2B2。設計分組如下：第一組（A1B1）：A藥+B藥+一般療法第二組（A1B2）：A藥+一般療法第三組（A2B1）：B藥+一般療法第四組（A2B2）：一般療法五、樣本含量的估計樣本含量估計的意義樣本含量過小，導致指標的不穩定樣本含量過大，會增加實際工作的困難，浪費人力、物力等，還會引入更多的混雜因素。影響樣本含量估計的因素四個主要因素：、1－、、

第一類錯誤的概率，即檢驗水準。，則n，一般取=0.05，還應明確單雙側。檢驗效能1?。

為第二類錯誤的概率，1?表示在特定的水準下，H1為真時檢驗能正確發現的能力。

（1-），則n

。（1-）>0.75，通常取0.8或0.9。允許誤差

希望發現或需控制的樣本和總體間或兩個樣本間某統計量的差別大小。如=μ1?μ2，或=π1?π2。δ

，則n

。總體變異度s

，則n

，通常根據預實驗、查閱文獻和專業知識判斷值。樣本含量估計的方法1、樣本均數與總體均數的比較（或配對比較）

確定和后，令