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1、2014/9/1 实验研究的设计与数据分析实验研究的设计与数据分析-1 1 实验研究实验研究设计与设计与数据分析数据分析-1 1 郝元涛 中山大学公共卫生学院 医学统计与流行病学系 第一讲第一讲 实验研究实验研究是指将实验对象随机分配到两个或多处理组，通过比较不同处理的效应（或结果）是否有差别，说明处理因素处理因素(treatment)是否对受试对象(subject)产生效应。实验研究与调查研究的根本区别：是否人为是否人为施加干预措施施加干预措施 2014/9/1 实验研究的设计与数据分析实验研究的设计与数据分析-1 2 2014/9/1 实验研究的设计与数据分析实验研究的设计与数据分析-1
2、3 一、一、实验研究的分类实验研究的分类 动物实验：动物、生物材料 临床试验：患者 现场试验：自然人群 根据受试对象不同：根据受试对象不同：2014/9/1 实验研究的设计与数据分析实验研究的设计与数据分析-1 4 二二、实验设计的基本原则实验设计的基本原则 对照 control 随机化 randomization 重复 replication 2014/9/1 实验研究的设计与数据分析实验研究的设计与数据分析-1 5 1.对照原则对照原则 均衡：均衡：指在设立对照时除给予的处理不同外，对照组和实验组的其他重要的非处理因素非处理因素应保持一致。同期对照 concurrent control 平
3、行对照 parallel control 2014/9/1 实验研究的设计与数据分析实验研究的设计与数据分析-1 6 安慰剂对照 placebo control 空白对照 blank control 实验对照 experimental control 标准对照 standard control 自身对照 self control 对照形式：对照形式：2014/9/1 实验研究的设计与数据分析实验研究的设计与数据分析-1 7 2.随机化原则随机化原则 随机化随机化：指采用随机的方式，使每个受试对象均有同等的机会被抽取或分配到实验组和对照组。随机抽样随机抽样 随机分配随机分配 实验顺序随机实验顺序
4、随机 2014/9/1 实验研究的设计与数据分析实验研究的设计与数据分析-1 8 3.重复原则重复原则 对多个受试对象进行实验 估计受试对象之间的变异性 对同一受试对象进行重复观测 估计测量的精度 重复重复：指在相同实验条件下进行多次实验或观察，以提高实验结果的可靠性。2014/9/1 实验研究的设计与数据分析实验研究的设计与数据分析-1 9 三三、实验设计的基本内容实验设计的基本内容 实验设计的三个基本要素：实验设计的三个基本要素：受试对象 处理因素 实验效应 2014/9/1 实验研究的设计与数据分析实验研究的设计与数据分析-1 10 1.建立研究假设建立研究假设 研究者根据专业知识、临床
5、经验以及文献中得到的启示，对本领域某问题提出理论假设。例：塞克硝唑胶囊治疗牙周炎的效果。主要问题：塞克硝唑治疗牙周炎是否有效及安全性如何？次要问题：不同年龄段患者的疗效是否不同、受试者的依从性如何？2014/9/1 实验研究的设计与数据分析实验研究的设计与数据分析-1 11 2.明确受试对象的范围和数量明确受试对象的范围和数量 受试对象受试对象：指由研究目的确定的处理因素作用的客体。选择受试对象应有明确的纳入标准和排除标准。同质性和代表性 对处理因素敏感；反应必须稳定 特殊人群 2014/9/1 实验研究的设计与数据分析实验研究的设计与数据分析-1 12 3.确立处理因素确立处理因素 处理因素
6、处理因素又称受试因素，是研究者根据研究目的而施加给受试对象的特定实验措施。例：塞克硝唑胶囊治疗牙周炎的效果。试验组：塞克硝唑胶囊 对照组：替硝唑胶囊 2014/9/1 实验研究的设计与数据分析实验研究的设计与数据分析-1 13 非处理因素非处理因素：某些非处理因素可干扰所研究因素与实验效应间关系的观察和分析，称为混杂因素(confounder)。例：年龄、性别、病情轻重、用药史等 混杂因素：混杂因素：2014/9/1 实验研究的设计与数据分析实验研究的设计与数据分析-1 14 4.明确观察指标明确观察指标 实验效应实验效应：处理因素作用于受试对象的反应和结局，通过观察指标（变量）来体现。客观性
7、 准确度：观察值与真实值的接近程度，系统误差 精确度：观察值与均数的接近程度，随机误差 灵敏度：检出真阳性的能力 特异度：鉴别真阴性的能力 2014/9/1 实验研究的设计与数据分析实验研究的设计与数据分析-1 15 5.确定实验设计的类型确定实验设计的类型 完全随机设计 配对设计 随机区组设计 交叉设计 析因设计 2014/9/1 实验研究的设计与数据分析实验研究的设计与数据分析-1 16 6.控制误差和偏倚控制误差和偏倚 选择性偏倚选择性偏倚 selection bias 由于纳入观察对象的方法不正确而产生的偏倚 测量性偏倚测量性偏倚 measurement bias 在实验过程中对研究对
8、象进行观察或测量时产生的偏倚 混杂性偏倚混杂性偏倚 confounding bias 由非处理因素造成的偏倚 2014/9/1 实验研究的设计与数据分析实验研究的设计与数据分析-1 17 四四、常用的实验设计类型常用的实验设计类型 单个处理因素单个处理因素 完全随机设计(completely randomized design)*配对设计(paired design)*随机区组设计(randomized block design)交叉设计(cross-over design)多个处理因素多个处理因素 析因设计(factorial design)、重复测量设计(repeated measure)
9、2014/9/1 实验研究的设计与数据分析实验研究的设计与数据分析-1 18 1.完全随机设计完全随机设计 研究总体研究总体 受试对象受试对象 对照组对照组 实验组实验组 纳入标准纳入标准 排除标准排除标准 随机化随机化 例：将体重相近的15只雄性小白鼠随机等分到A、B、C三组。编编 号号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 分分 组组 A B A B C C C C B A C A B B A 序序 号号 2 8 3 6 14 15 11 12 10 1 13 5 9 7 4 随机数随机数 38 64 43 59 98 98 77 87 68 07 91
10、51 67 62 44 2014/9/1 实验研究的设计与数据分析实验研究的设计与数据分析-1 19 2.配对设计配对设计 研究总体研究总体 受试对象受试对象 随机分组随机分组 随机分组随机分组 随机分组随机分组 按配对按配对 条件条件 排除标准排除标准 纳入标准纳入标准 实验组实验组 对照组对照组 实验组实验组 实验组实验组 对照组对照组 对照组对照组 对子对子b 对子对子2 对子对子1 2014/9/1 实验研究的设计与数据分析实验研究的设计与数据分析-1 20 例：将符合实验要求的14只小鼠，按照月龄和体重相近的原则配成7对，进行随机化分组。动物编号动物编号 1.1 1.2 2.1 2.
11、2 3.1 3.2 4.1 4.2 5.1 5.2 6.1 6.2 7.1 7.2 随机数随机数 57 35 27 33 72 24 53 63 94 09 41 10 76 47 组组 别别 B A A B B A A B B A B A B A 对子编号对子编号 1 2 3 4 5 6 7 序序 号号 2 1 1 2 2 1 1 2 2 1 2 1 2 1 2014/9/1 实验研究的设计与数据分析实验研究的设计与数据分析-1 21 2014/9/1 实验研究的设计与数据分析实验研究的设计与数据分析-1 22 两个条件相同或相近的受试对象配成对子，分别随机接受两种不同处理 同一受试对象的两
12、个部分配成对子，分别随机接受两种不同处理 同一受试对象接受两种不同处理 自身前后配对 配对设计：配对设计：常用的数据分析方法常用的数据分析方法 2014/9/1 实验研究的设计与数据分析实验研究的设计与数据分析-1 23 2014/9/1 实验研究的设计与数据分析实验研究的设计与数据分析-1 24 一、完全随机设计资料的分析一、完全随机设计资料的分析 t 检验 方差分析 秩和检验 2检验 1 1、t 检验检验 t 检验检验可用于完全随机设计两样本定量资料可用于完全随机设计两样本定量资料的假设检验的假设检验 t 检验检验在小样本时要求在小样本时要求正态分布、方差齐性正态分布、方差齐性，否则，校正
13、的否则，校正的t检验，变量变换，秩和检验检验，变量变换，秩和检验 2014/9/1 实验研究的设计与数据分析实验研究的设计与数据分析-1 25 例题例题1：某医生研究血清白介素某医生研究血清白介素-6(IL-6)与银屑病的关系，与银屑病的关系，收集了收集了12例处于进行期的银屑病患者及例处于进行期的银屑病患者及12例正常例正常人的血清标本进行人的血清标本进行IL-6检测，得到检测，得到表表1结果结果，问银，问银屑病患者与正常人的血清屑病患者与正常人的血清IL-6均数是否不同？均数是否不同？表表1 银屑病组与正常对照组的血清银屑病组与正常对照组的血清IL-6(pg/ml)组别 例数 均数 标准差
14、 银屑病患者 12 182.4 27.7 正常人 12 149.7 19.5 2014/9/1 实验研究的设计与数据分析实验研究的设计与数据分析-1 26 2014/9/1 实验研究的设计与数据分析实验研究的设计与数据分析-1 27 基本步骤基本步骤 (1)建立检验假设，确定检验水准建立检验假设，确定检验水准 012:H112:H0.05(2)计算检验统计量计算检验统计量 11122212222121212,182.4pg/mL,27.7pg/mL;12,149.7pg/mL,19.5pg/mL182.4 149.73.3427.7 12 119.5 12 1111112 1221212212
15、 12222cnXSnXSXXtSnnvnn2014/9/1 实验研究的设计与数据分析实验研究的设计与数据分析-1 28 (3)确定确定P 值，作出统计推断值，作出统计推断 查 t 界值表，得0.002P 0.005，按=0.05水准拒绝 H0，接受 H1，差异有统计学意义，可认为银屑病患者与正常人的血清IL-6均数不同，银屑病患者的血清IL-6较高。2014/9/1 实验研究的设计与数据分析实验研究的设计与数据分析-1 29 2 2、方差分析、方差分析 方差分析（方差分析（Analysis of Variance,ANOVA）可用于分析完全随机设计可用于分析完全随机设计多组样本均数多组样本均
16、数间间比较的假设检验比较的假设检验 2014/9/1 实验研究的设计与数据分析实验研究的设计与数据分析-1 30 例题例题2：为研究茶多酚保健饮料对急性缺氧的影响为研究茶多酚保健饮料对急性缺氧的影响，将将60只只Wistar小白鼠随机分为小白鼠随机分为低低、中中、高三个剂量组高三个剂量组和和一个对照组一个对照组，每每组组15只小白鼠只小白鼠。对照组给予蒸馏水对照组给予蒸馏水0.25ml灌胃灌胃，低低、中中、高剂量组分别给予高剂量组分别给予2.0gkg、4.0gkg、8.0gkg的饮料溶于的饮料溶于0.20.3ml蒸馏水后灌胃蒸馏水后灌胃。每天一次每天一次，40天后天后，对小白鼠对小白鼠进行进行
17、耐缺氧存活时间耐缺氧存活时间实验实验，结果如下表结果如下表。试比较不同剂量的茶多酚保健饮料对延长小白鼠的平均耐试比较不同剂量的茶多酚保健饮料对延长小白鼠的平均耐缺氧存活时间有无差别缺氧存活时间有无差别。2014/9/1 实验研究的设计与数据分析实验研究的设计与数据分析-1 3 组别组别 耐缺氧时间耐缺氧时间ijX 对照组对照组（1i）21.31 23.14 27.48 19.54 18.03 24.03 22.82 18.72 23.46 20.34 26.98 19.56 17.39 24.37 16.01 低剂量组低剂量组（2i）20.16 24.49 21.32 19.46 25.63
18、28.81 18.74 18.42 26.13 25.24 20.23 22.47 29.38 20.16 22.51 中剂量组中剂量组（3i）35.07 28.11 24.74 29.79 22.68 23.01 28.32 29.04 24.33 33.97 21.86 28.65 25.13 34.44 31.69 高剂量组高剂量组（4i）30.23 36.84 38.61 27.13 28.79 33.24 31.68 28.29 38.47 35.10 28.01 23.37 28.44 34.22 35.08 均数依次：21.54，22.88，28.06，31.83 总均数：26.
19、08 2014/9/1 实验研究的设计与数据分析实验研究的设计与数据分析-1 4 方差分析的基本思想方差分析的基本思想 方差分析的基本思想：方差分析的基本思想：把全部观察值间的变异把全部观察值间的变异 总变异按设计和需要分总变异按设计和需要分解成两个或多个组成部分，再作分析。解成两个或多个组成部分，再作分析。组内变异组内变异 组间变异组间变异 2014/9/1 实验研究的设计与数据分析实验研究的设计与数据分析-1 7 1）总变异：）总变异：=2）组间变异：）组间变异：组间自由度：组间自由度：3）组内变异：）组内变异：组内自由度：组内自由度：总ss211)(XXginjiji21)(XXnSSi
20、gii组间1 g组间giiiiginjijSnXXSSi12211)1()(组内gN 组内2014/9/1 实验研究的设计与数据分析实验研究的设计与数据分析-1 8 总组间组内=+SSSSSS组内组间总2014/9/1 实验研究的设计与数据分析实验研究的设计与数据分析-1 9 组间组间组间SSMS组内组内组内SSMS组内组间MSMSF 11 ggN 2 如果零假设成立，如果零假设成立，F值不会很大，服从值不会很大，服从F分布。如分布。如果果F值很大，则值很大，则P值很小，我们拒绝零假设。值很小，我们拒绝零假设。12(,)FFP2014/9/1 实验研究的设计与数据分析实验研究的设计与数据分析-
21、1 10 基本步骤基本步骤 用用例题例题2具体介绍单因素方差分析的步骤：具体介绍单因素方差分析的步骤：1.建立检验假设，确定检验水准建立检验假设，确定检验水准 ：四个总体均数相等。：四个总体均数相等。：四个总体均数：四个总体均数不全相等不全相等。0H1H05.02014/9/1 实验研究的设计与数据分析实验研究的设计与数据分析-1 11 2.计算检验统计量计算检验统计量 变异来源变异来源 离均差平方和离均差平方和SS 自由度自由度 均方均方MS F值值 组间变异组间变异 21)(XXnigii 1 g 组间组间组间组间 SS 组内组内组间组间MSMS 组内变异组内变异 211)(igiinji
22、jXX gN 组内组内组内组内 SS 总变异总变异 211)(XXgiinjij 1 N 表表2 完全随机设计资料方差分析的计算公式完全随机设计资料方差分析的计算公式 2014/9/1 实验研究的设计与数据分析实验研究的设计与数据分析-1 12 变异来源变异来源 SS MS F P 总总 1915.80 59 组间组间 1017.41 3 339.14 21.14 0.01 组内组内 898.39 56 16.04 表表3 方差分析结果方差分析结果 2014/9/1 实验研究的设计与数据分析实验研究的设计与数据分析-1 39 3.确定确定P 值，作出推断结论值，作出推断结论 方差分析的前提条件
23、方差分析的前提条件 1.正态性正态性：各样本是相互独立的随机样本，均服：各样本是相互独立的随机样本，均服从从正态分布正态分布 2.方差齐性方差齐性：各样本的总体方差相等：各样本的总体方差相等(homogeneity of variance)2014/9/1 实验研究的设计与数据分析实验研究的设计与数据分析-1 14 多个样本均数的两两比较多个样本均数的两两比较 多个样本均数间的两两比较，或称多重比较多个样本均数间的两两比较，或称多重比较（multiple comparison）2014/9/1 实验研究的设计与数据分析实验研究的设计与数据分析-1 21 LSD-t 检验检验 最小有意义差异最小
24、有意义差异(least significant difference)t检验检验 用于检验用于检验某一对或几对某一对或几对在专业上有特殊意义的均数在专业上有特殊意义的均数之差的总体均数是否为“之差的总体均数是否为“0”2014/9/1 实验研究的设计与数据分析实验研究的设计与数据分析-1 22 Bonferroni 法法 m2014/9/1 实验研究的设计与数据分析实验研究的设计与数据分析-1 28 Bonferroni法是两两比较方法中最为法是两两比较方法中最为保守保守的的，适用于所适用于所有的两两比较有的两两比较 例例 请对例题资料经方差分析后认为有统计学意义的四个请对例题资料经方差分析后
25、认为有统计学意义的四个样本均数进行两两比较样本均数进行两两比较。BAH :0BAH :162)14(424 Cm0083.0605.0 m 2014/9/1 实验研究的设计与数据分析实验研究的设计与数据分析-1 29 表表 4 例例 2 的的 Bonferroni 检验计算表检验计算表 对比组对比组 A 与与 B (1)两均数之差两均数之差 ABXX(2)标准误标准误 ABXXS(3)t P (4)(5)1 与与 4-10.2880 1.4625 7.03 0.001 1 与与 3-6.5100 1.4625 4.45 0.001 1 与与 2-1.3314 1.4625 0.91 0.200
26、.40 2 与与 4-8.9566 1.4625 6.12 0.001 2 与与 3-5.1786 1.4625 3.54 p甲甲，(88.89%60.00%)乙药的有乙药的有效率高于甲药。效率高于甲药。2014/9/1 实验研究的设计与数据分析实验研究的设计与数据分析-1 53 表表 6 两独立样本率比较的四格表两独立样本率比较的四格表 组别组别 属性属性 合计合计 Y1（阳性）（阳性）Y2（阴性）（阴性）1 a 11()T b 12()T ab 2 c 21()T d 22()T cd 合计合计 ac bd N 四格表资料专用公式四格表资料专用公式 dbcadcbanbcad222014/
27、9/1 实验研究的设计与数据分析实验研究的设计与数据分析-1 54 连续性校正的公式连续性校正的公式 TTA225.0dbcadcbannbcad222/2014/9/1 实验研究的设计与数据分析实验研究的设计与数据分析-1 55 应用条件应用条件（1）T5，且且n40时时，用不校正公式计算用不校正公式计算 2值值 （2）1T5,且且n40时时，用连续性校正检验或四格用连续性校正检验或四格表的确切概率法表的确切概率法（3）T1或或n40，用四格表的确切概率法，用四格表的确切概率法 2014/9/1 实验研究的设计与数据分析实验研究的设计与数据分析-1 二、配对设计资料的分析二、配对设计资料的分
28、析 配对配对t检验（检验（paired t test）配对资料的符号秩和检验（配对资料的符号秩和检验（signed rank sum test）配对资料的卡方检验（配对资料的卡方检验（McNemar test）2014/9/1 实验研究的设计与数据分析实验研究的设计与数据分析-1 1 2014/9/1 实验研究的设计与数据分析实验研究的设计与数据分析-1 57 小结小结 实验设计实验设计基本要素基本要素 根据设计的类型、结局变量的类型选择分根据设计的类型、结局变量的类型选择分析方法析方法 方法的应用条件方法的应用条件 2014/9/1 实验研究的设计与数据分析实验研究的设计与数据分析-1 58 THE END THANK YOU!