實驗設計的基本原則

1、實驗研究的基本原則principles of experimental study,李海斌新鄉(xiāng)醫(yī)學院公共衛(wèi)生學系,,,References,《醫(yī)學科研方法學》賀石林 李元建主編 人民軍醫(yī)出版社《科研設計方法與科研論文寫作》殷國榮主編 科學技術(shù)出版社《醫(yī)學統(tǒng)計學基礎與典型錯誤辨析》胡良平 李子建主編 軍事科學科學出版社,對照的必要性——沒有比較就沒有鑒別,疾病的自愈傾向感冒、哮喘等,100名感冒患者體溫、鼻塞流涕情況,,,

2、1周后觀察：體溫下降和鼻塞流涕緩解狀況,服用感冒藥A,結(jié)論：該藥能有效治療感冒，改善鼻塞流涕狀況。,實驗研究的基本原則,對照原則 principle of control 均衡原則 principle of homogeneity隨機原則 principle of randomization 重復原則 principle of replication,1. 對照原則 principle of control,設立對照的意義設置

3、對照的要求對照的常見形式設置對照的方法,設立對照的意義,消除或減少非處理因素的影響 通過對照可以消除或減少實驗誤差 衡量一項科研設計是否具有科學性、嚴密性 校正觀察數(shù)據(jù)（如試劑空白對照）,設置對照的要求,保證各組間的均衡，即非處理因素盡可能一致；消除各組研究對象心理因素差異的影響；根據(jù)研究目的選擇恰當?shù)膶φ?；各組例數(shù)應盡量相等；各組研究對象的病理強度應相同。,對照的常見形式,空白對照(blank control)標準

4、對照(standard control) 實驗對照(experimental control) 相互對照(inter-control)安慰劑對照 (placebo control),例：研究某中草藥煙熏對空氣的消毒效果實驗組：中草藥煙熏對照組：單純煙熏,對照組的受試對象不施加任何處理因素，其處理因素完全空白。,是指不設專門的對照組，而使用現(xiàn)有的標準值或標準方法來作對照。,對照組不施加處理因素，但施加與處理因素有關(guān)的其他因素。,

5、是指幾種處理因素互為對照。,對照組的受試對象服用安慰劑。安慰劑（placebo）指不含任何藥理成分的制劑或劑型，外形與真藥相像，如蒸餾水、淀粉片或膠囊等,設置對照的方法,自身對照(self-control) 歷史對照(historical control)復合對照(multiple control),1.同一批研究對象處理前后比較；2.同一批研究對象同時接受兩種處理。如，動物實驗中，左眼采用A處理，右眼采用B處理。,多因素實驗研究

6、中，可設立多個對照組。如探討兩種藥物聯(lián)合應用時的效果，實驗組為：A+B；對照組為：單用A，單用B，空白。,對照的常見形式,實例1 1994年12月～1997年12月，收治42例門靜脈高壓癥合并食管胃底靜脈曲張破裂出血者，采用擴大Hassab手術(shù)法，術(shù)后近期再出血2例(4.7%)，低于傳統(tǒng)方法(11.1%～15.3%)。,歷史對照,對照的常見形式,實例2 應用某藥治療8例高血壓患者，治療前后分別測定患者的舒張壓(mmHg)，結(jié)果如下表

7、。問該藥對患者的舒張壓有無影響？,自身前后對照,對照的常見形式,實例3 Wistar大白鼠20只，雌雄各半，體重180～200g，適應性喂養(yǎng)1周后隨機分2組，對照組喂飼基礎飼料，肥胖組喂飼高能營養(yǎng)飼料。12月后比較2組丙二醛(MDA)和過氧化物歧化酶(SOD)，肥胖大鼠血漿MDA升高、SOD下降，二者均P＜0.01。,實驗對照,評價藥物代謝和安全性的Ⅰ、Ⅱ期臨床試驗，探索試驗效果和試驗方法的預試驗，以及有可靠的潛在對照(如某手術(shù)無成功

8、先例)、形態(tài)學觀察和病例個案報道可以不設立對照。,某醫(yī)生觀察用ADI預防腸道傳染病的效果，安排如下實驗，在甲幼兒園觀察100名兒童(甲100名)服用ADI(+)，在乙幼兒園觀察100名兒童(乙100名)服用ADI(－)。觀察結(jié)果，甲幼兒園腸道傳染病發(fā)病率(↓)，乙幼兒園腸道傳染病發(fā)病率(↑)。據(jù)此得出結(jié)論：ADI對腸道傳染病有預防作用。 甲(100)→ADI(+)→↓ 乙(100)→ADI(-)→↑,對照原則 princ

9、iple of control 均衡原則 principle of homogeneity隨機原則 principle of randomization 重復原則 principle of replication,實驗研究的基本原則,2. 均衡原則principle of homogeneity,均衡指各組間非處理因素應盡可能相同，即各組具有齊同性（或可比性），從而使處理因素的作用得以正確顯示。隨機分組是保證組間均衡性的基本方

10、法。用方差分析或卡方檢驗對實驗組和對照組的非處理因素的差別進行均衡性檢驗,均衡原則principle of homogeneity,常用的均衡化方法： 交叉均衡(cross homogeneity)； 分層均衡(stratified homogeneity)。,例：采用自身對照設計比較兩種處理的效果，受試者8人，現(xiàn)有兩種方案：1.第一次實驗：8A，第二次實驗：8B2.第一次實驗：4A，4B 第二次實驗：4

11、B，4A,例：在兩家醫(yī)院進行某項臨床試驗，現(xiàn)有兩種方案：1.甲醫(yī)院的病例作為實驗組，乙醫(yī)院的病例作為對照組；2.甲、乙兩醫(yī)院的病例均隨機分為實驗組和對照組。,例1 某醫(yī)生觀察用ADI預防腸道傳染病的效果，安排如下實驗，在甲幼兒園觀察100名兒童(甲100名)服用ADI(+)，在乙幼兒園觀察100名兒童(乙100名)服用ADI(－)。觀察結(jié)果，甲幼兒園腸道傳染病發(fā)病率(↓)，乙幼兒園腸道傳染病發(fā)病率(↑)。據(jù)此得出結(jié)論：ADI對腸道傳

12、染病有預防作用。 甲(100)→ADI(+)→↓ 乙(100)→ADI(-)→↑,使甲、乙兩幼兒園兒童都分成兩組，50名服用ADI，50名不服ADI，這樣就使非處理因素得到了均衡。這時若經(jīng)統(tǒng)計學檢驗服ADI組的發(fā)病率低于未服ADI組，則說明 ADI有效。,例2 某單位研究野菊花艾葉香在預防感冒及空氣消毒的效果。對象為某幼兒園分住三個樓次的兒童。中樓是中班(160人)，東樓是小班(80人)，此兩樓燃香；西樓是大

13、班(160人)，不燃香做為對照。結(jié)論為該香無預防感冒效果，但有空氣消毒作用(肉湯平板上菌落較少)。,例3 某醫(yī)院欲了解新擬的中醫(yī)辨證治療方案對消化性潰瘍的療效，以西藥雷尼替丁作對照，將住院的166例消化性潰瘍患者隨機分為兩組，分組后各組按中醫(yī)分型的構(gòu)成如表2。,在用小白鼠作為受試對象的實驗中，實驗者用手隨意地、一次又一次地從籠子中抓小白鼠，每次抓一只，將先抓到的n1只放入對照組，后抓到的n2只放入試驗組。,對照原則 principle

14、of control 均衡原則 principle of homogeneity隨機原則 principle of randomization 重復原則 principle of replication,實驗研究的基本原則,3. 隨機化原則principle of randomization,隨機化的意義隨機抽樣(random sampling)隨機分組(random grouping),隨機的概念,隨機指被研究的樣本是從所

15、研究的總體中任意抽取的，也就是說從研究的總體中抽取樣本時，要使每一個觀察單位都有同等機會被分配到觀察組或?qū)φ战M。,3. 隨機化原則,隨機≠隨便病人的選擇性：對醫(yī)院、治療醫(yī)生、藥物醫(yī)生的選擇性：對病人分組其他：疾病自身的規(guī)律、病人的年齡、性別等后果：影響療效的判斷；由于不隨機，各組差異不符合概率論和統(tǒng)計學原理，使統(tǒng)計學檢驗結(jié)果無效,隨機化的意義,隨機抽樣——保證樣本對總體的代表性，使研究結(jié)果可以外推到目標人群。 隨機分組——保證

16、組間可比性，即消除或減少非處理因素對研究結(jié)果的影響。隨機實驗——保證每組接收的處理因素隨機。統(tǒng)計學處理的要求。,隨機抽樣,隨機抽樣是在一個或多個已知總體中獲得有代表性的研究樣本。抽樣框架必須是有限總體，如某地的居民數(shù)、某地的育齡婦女數(shù)、某學校的肥胖兒童數(shù)等。抽樣框架的附加信息，如居住地、職業(yè)、性別、年齡，是選擇抽樣方法的重要依據(jù)。,觀察單位（observation unit）即研究的個體，根據(jù)研究目的而定。抽樣單位(samplin

17、g unit)可以與觀察單位相同，也可大于觀察單位。抽樣單位要互不重疊，全部抽樣單位正好包括抽樣總體中的全部個體。每個觀察單位只能屬于一個抽樣單位。把全部抽樣單位列出一份清單，就稱為抽樣框(sampling frame)。,隨機抽樣,單純隨機抽樣(simple random sampling)系統(tǒng)抽樣(systematic sampling)分層抽樣(stratified sampling) 整群抽樣(cluster sampli

18、ng) 多級（多階段）抽樣(multi-stage sampling),例如 ：某班有100人，現(xiàn)抽取10人參加夏令營活動，為了體現(xiàn)公平，采取單純隨機抽樣。1）人員編號 1，2，3…..2）查隨機數(shù)字表 12，56，85，99，26，96，68，27，31，053）這些隨機數(shù)字編號的同學即被抽中,,（1）簡單隨機抽樣(simple random sampling),,,簡單隨機抽樣的特點,優(yōu)點：均數(shù)（或率）及標準誤的計算簡便

19、。缺點：當總體例數(shù)較多時，編號麻煩。,適用范圍：小型調(diào)查或?qū)嶒炑芯俊?間隔抽樣或機械抽樣。按照一定順序機械地每隔若干個觀察單位抽取一個組成樣本。 抽樣的起點必須是隨機的，這樣系統(tǒng)抽樣才是一種隨機抽樣的方法。,⑵系統(tǒng)抽樣（systematic sampling）,系統(tǒng)抽樣方法,隨機選取第一個個體后，其余個體按一定數(shù)字規(guī)律來抽取。 例如：1000名學生中抽取200人，作樣本進行骨密度調(diào)查，抽樣間隔1000/200=5，若

20、隨機抽取第一號為2，則抽取的個體為：2，7，12，17，……     例：對1/10門診病人作問卷調(diào)查 編號；抽號碼為6,16,26,……者,優(yōu)點：①易于理解，簡便易行。 ②容易得到一個按比例分配的樣本。缺點：①易產(chǎn)生周期性或趨勢的偏性。 ②樣本中個體常常不獨立。,適用范圍：事先已知分布是隨機的。,⑶分層抽樣（stratified sampling

21、）,定義：在抽樣之前將總體分為同質(zhì)的、互不重疊的若干子總體（稱為層），然后在每一個層獨立地隨機抽取樣本。 分層抽樣示意圖,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,stratified sampling,先按照某些人口學特征或某些標志（如年齡、性別、住址、職業(yè)、教育程度、民族等）將研究人群分為若干組（統(tǒng)計學上稱為層），然后從每層抽取一個隨機樣本。,按比例分配分層隨機抽樣，即各層內(nèi)抽樣比例相同；最優(yōu)分配分層隨機抽樣，即

22、各層抽樣比例不同，內(nèi)部變異小的層抽樣比例小，內(nèi)部變異大的層抽樣比例大，此時獲得的樣本均數(shù)或樣本率的方差最小。抽樣要求：層內(nèi)變異越小越好，層間變異越大越好，因而可以提高每層的精確度，而且便于層間進行比較。,分層抽樣的分類,優(yōu)點：①減少抽樣誤差， ②便于不同層采用不同抽樣方法， ③不同層獨立進行分析。缺點：工作量大,適用范圍：事先已知分布是隨機的。,,由若干個有聯(lián)系的基本單元組成的集合稱為群，抽樣時以群為抽樣單元

23、的抽樣方法就稱為整群抽樣。 整群抽樣示意圖：,黃色為總體棕色為群白點為基本單元,,⑷整群抽樣（cluster sampling）,cluster sampling,抽樣單位：不是個體而是群體，如居民區(qū)、班級、連隊、鄉(xiāng)、村、縣、工廠、學校等。抽到的樣本包括若干個群體，對群體內(nèi)所有個體均給以調(diào)查。群內(nèi)個體數(shù)可以相等，也可以不等。適用范圍（要求）：群內(nèi)變異大而群間變異小 。 例如：全國膳食調(diào)查 到鄉(xiāng)村一級,優(yōu)點：便于組織，

24、節(jié)省經(jīng)費，容易控制調(diào)查質(zhì)量。缺點：誤差大。,Stratified vs Cluster Sampling,各種抽樣方法的抽樣誤差大小,整群抽樣≥單純隨機抽樣≥系統(tǒng)抽樣≥分層抽樣,即分階段抽樣，是大型調(diào)查時常用的一種抽樣方法。從總體中先抽取范圍較大的單元，稱為一級抽樣單元，再從抽中的一級單元中抽取范圍較小的二級單元，這就是兩級抽樣。還可依次再抽取范圍更小的單元，即為多級抽樣。多級抽樣常與上述各種基本抽樣方法結(jié)合使用。,⑸多級抽樣（mul

25、ti-stage sampling）,,總體,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,第一階樣本,最終樣本,,,,,,,,,,多階抽樣示意圖：,（1）當群具有同質(zhì)性時，多階抽樣的效率高于整群抽樣；（2）樣本的分布比簡單隨機抽樣集中，采用面訪可以節(jié)約時間和費用；（3）不需要整個總體單元的名錄框，只要群的名錄框和抽中群的單元名錄框。,多級抽樣優(yōu)點,（1）效率不如簡單隨機抽樣；（2）通常不能提前知道最終的樣

26、本量；（3）調(diào)查的組織較整群抽樣復雜；（4）估計值與抽樣方差的計算較為復雜。,多級抽樣缺點,隨機分組,完全隨機化分組 （completely random grouping）區(qū)組隨機化分組 （block random grouping）分層隨機化分組 （stratified random grouping）,某醫(yī)生用海桂愈瘍膠囊隨機治療十二指腸潰瘍2例，共觀察到2例有效，有效率為100%，認為該藥有效，可

27、以在臨床推廣。,對照原則 principle of control 均衡原則 principle of homogeneity隨機原則 principle of randomization 重復原則 principle of replication,實驗研究的基本原則,4. 重復原則principle of replication,重復的意義：重復指各組觀察例數(shù)要足夠，重復次數(shù)越多（即樣本量越大），抽樣誤差越小，統(tǒng)計推斷（即結(jié)論

28、）越可靠。,處理組與對照組的受試者都應具有一定的數(shù)量，即要求各組有一定的樣本含量。,4. 重復原則principle of replication,樣本太大，加大實驗規(guī)模，增加實際工作困難，難以控制實驗條件，有可能增加系統(tǒng)誤差；樣本太小，使應有的差別不能顯示，結(jié)論不可靠。,盲法原則,盲法即使受試者、觀察者或/和數(shù)據(jù)分析者不知道受試對象的具體分組情況。盲法的分類： 單盲(single-blind) 雙盲(

29、double-blind) 三盲(tri-blind),僅研究對象不知道接受的處理因素是什么，而研究人員則知道，其優(yōu)點是可以避免研究對象的主觀因素所致的偏差。由于單盲還保留非盲法的優(yōu)點。即實施起來容易。在研究對象出現(xiàn)任何變化時，研究人員容易判斷其原因，并決定是否中止試驗或改變方案，以保證處理因素使用的安全性 。,研究對象和研究人員均不知道每個研究對象誰分在研究組或者對照組，施加處理或不施加處理。這就在很大程度上減少了研究者

30、與被研究者的主觀因素對研究結(jié)果的影響。,是雙盲法的擴展，即研究對象、研究人員和結(jié)果分析人員均不知道研究對象的分組和處理情況，這種方法在理論上可減少資料分析上的偏差，但在分析時減弱了對整個研究工作的全局了解，對研究的安全性要求較高，在執(zhí)行時也較嚴密，使得實驗研究的可靠性增大。,盲法的實施,盲法通常與安慰劑同時應用。必須有一套有效的保密制度，以保證雙盲法的順利實施。要有安全保證，往往需要一位第三者來監(jiān)督整個實驗過程，一旦發(fā)生意外或不良反

31、應，能及時查明情況，確定對策。,實驗設計中常見錯誤,重復設置對照、對照不全、缺乏對照以隨意代替隨機樣本含量太小忽視混雜因素的干擾各組間均衡性不好,常見的錯誤,實例1 1987年2月～1998年7月，收治肝膽管結(jié)石并狹窄的病例68例，用肝葉切除、狹窄膽管切開整形及膽腸吻合、盲袢置于皮下為主的聯(lián)合手術(shù)方式治療，優(yōu)良率88.4%。,無對照,例2 觀察黃芪穴注足三里治療慢性疲勞綜合征，僅以黃芪肌肉注射作對照，結(jié)論為“既有黃芪的藥理作用，

32、又體現(xiàn)足三里穴位的經(jīng)脈傳感之功效”。,對照不完善,常見的錯誤,對照不足,例3 有人設計某農(nóng)藥對糧食污染的動物實驗，觀察污染因素對某些指標是否有不利影響，設計分三組:(1)污染米飼料組;(2)污染帶糠皮米飼料組;(3)非污染米飼料組(對照組)。,常見的錯誤,例4 觀察某中藥預防兒童腹瀉的效果，在縣幼兒園隨機抽取100名兒童作實驗組，在鄉(xiāng)幼兒園隨機抽取100名同齡兒童作對照，假定縣、鄉(xiāng)幼兒園在試驗期的飲食情況相同，觀察兩組兒童腹瀉發(fā)生情況并

33、進行比較。,值得考慮的是縣、鄉(xiāng)兩地衛(wèi)生條件、衛(wèi)生習慣、兒童體質(zhì)狀況等方面有差別，這種對照安排不合理。,常見的錯誤,例5 欲了解Ａ、Ｂ兩種新藥在抗感染方面的實用價值，將符合試驗條件的患者隨機分為兩組，一組用Ａ藥治療，另一組用Ｂ藥治療，然后比較兩組的療效。,這種情況下采用相互對照方式不能回答實驗研究的問題。正確的做法是采用標準對照方式，將符合條件的患者隨機分為３組，分別用Ａ藥、Ｂ藥、青霉素治療 (以青霉素作標準對照），才能評價Ａ藥、Ｂ藥在抗

34、感染方面的實用價值。,常見的錯誤,如用中草藥治療急性闌尾炎60例與用某抗生素治療闌尾炎4例作對照進行比較，結(jié)果中草藥組治愈率70%(42/60)、抗生素組為75%(3/4)，得出兩組間差異無顯著的結(jié)論。,樣本太小,常見的錯誤,某人探討高血壓病的病因而檢測已確診的高血壓病人24ｈ尿鈉排出量。為了齊同，作者把對照組健康人群的性別、年齡、工齡、工作環(huán)境、生活環(huán)境均控制在住院條件下，結(jié)果發(fā)現(xiàn)兩組間24ｈ尿鈉排出量無任何差異。,匹配過度,這可能與

35、病人和對照均在住院條件下檢測與其平時飲食習慣不同有關(guān)。雖然作者已提到飲食習慣，但卻忽略了飲食習慣對尿鈉排泄的重要影響，兩組均在住院條件下，飲食相同，當然其攝鈉量相同，故排出量相同，這就掩蓋了飲食習慣中高鈉攝入在其高血壓形成中的病因作用。,常見的錯誤,小結(jié),實驗設計四原則： ★對照原則 (principle of control) ★均衡原則 (principle of homogeneity) ★隨機原則