实验设计与样本含量的估计.pptx

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1、实验设计与样本含量的估计实验设计与样本含量的估计（1 1）实验研究设计）实验研究设计任何一项医学研究，在确定研究目的之后，首要问题：考虑怎样安排试验或者说需要一份良好的研究计划(称为研究设计)，它是使研究结果满足科学性的重要保证。数据分析数据分析设计数据采集数据采集报告报告第1页/共60页一、研究设计类型：一、研究设计类型：1 1、实验研究设计、实验研究设计根据研究目的认为的对受试对根据研究目的认为的对受试对象（包括人或动物）设置干预措施，象（包括人或动物）设置干预措施，控制非干预措施的影响，总结干扰控制非干预措施的影响，总结干扰因素的效果。常用研究分为三类，因素的效果。常用研究分为三类，即动

2、物实验、临床实验与社区干预即动物实验、临床实验与社区干预实验。实验。第2页/共60页2、调查研究设计对特定群体进行调查被调查者的因素是客观存在的，研究者只能被动的观察和记录。实验和调查虽然在设计上有所区别，实际研究中常结合应用，某些现场可为实验提供线索，而实验结果还需要通过调查加以证实。第3页/共60页二、实验设计的目的：二、实验设计的目的：控制和降低系统误差对实验结果的影响，缩小实验随机误差以利于进行统计推断，更确切地回答研究者事先提出的假设。第4页/共60页三、实验设计的任务：三、实验设计的任务：1、合理安排实验有所和实验对象2、选择表达实验效应的指标3、分析和考查实验效应第5页/共60页

3、四、实验研究的误差四、实验研究的误差实验研究的误差1、随机误差（randomerror)2、系统误差(systematicerror)又称为偏倚（bias)包括选择偏倚、测量偏倚和混杂偏倚。误差随机误差系统误差第6页/共60页2 2、常用的实验设计方案、常用的实验设计方案1、单因素：设计方案是一个观察因素的不同强度水平作用效应间差异的研究。配对设计、完全随机设计、序贯设计。第7页/共60页2、多因素：设计方案是指观察两个以上因素不同强度水平下作用效应差异的研究。交叉设计、（配伍组设计）、拉丁方设计、析因设计、裂区设计、正交设计.此外还有三个变量及多个变量间关联分析的研究设计，属多元分析。第8页

4、/共60页五、实验研究的要素五、实验研究的要素五、实验研究的要素五、实验研究的要素一、处理因素1 1、抓住主要的处理因素、抓住主要的处理因素 2 2、找出非处理因素并加以控制、找出非处理因素并加以控制3 3、处理因素应标准化、处理因素应标准化第9页/共60页二、受试对象1、动物实验对象2、临床（现场）试验对象受试对象的同质性疾病诊断的标准明确的纳入和排除标准良好的依从性第10页/共60页1 1、处理因素作用于受试对象的反应；、处理因素作用于受试对象的反应；2 2、研究结果的最终体现；、研究结果的最终体现；3 3、实验研究的核心内容。、实验研究的核心内容。它将通过实验指标来表达，因此选择它将通过

5、实验指标来表达，因此选择评价效应的指标评价效应的指标是关系研究成败的重要关是关系研究成败的重要关键。键。三、实验效应第11页/共60页选择指标的依据：选择指标的依据：1、指标的选择必须与研究目的密切关联2、选择定量指标比定性指标能提供更多的信息3、尽量选择客观性强、精确性好、特异度、和灵敏高的指标作为分析指标。第12页/共60页六、实验设计的原则六、实验设计的原则六、实验设计的原则六、实验设计的原则 实验误差的控制实验误差的控制:实验设计的主要作用是减少误差，提高实验的精确度，使研究者能从实验结果中获得无偏的处理统计量及实验误差的估计值，从而进行正确地分析和比较。第13页/共60页科研设计方法

6、与抉择科研设计方法与抉择科研设计方法与抉择科研设计方法与抉择 在研究临床科研设计方案的时候，首先要掌握设计的三大在研究临床科研设计方案的时候，首先要掌握设计的三大在研究临床科研设计方案的时候，首先要掌握设计的三大在研究临床科研设计方案的时候，首先要掌握设计的三大原则原则原则原则(或四大原则或四大原则或四大原则或四大原则）。）。）。）。随机化原则随机化原则随机化原则随机化原则 对照原则对照原则对照原则对照原则重复原则重复原则重复原则重复原则盲法原则盲法原则盲法原则盲法原则第14页/共60页1 1、对照（对照（controlcontrol）原则原则空白对照、安慰剂对照、实验对照、标空白对照、安慰剂

7、对照、实验对照、标准对照等。准对照等。设立对照组应满足均衡性要求，做到设立对照组应满足均衡性要求，做到：1 1、组间除干预措施外，其他影响结果的非、组间除干预措施外，其他影响结果的非处理处理 因素等尽可能相同。因素等尽可能相同。2 2、对所研究疾病的易感度及发病机会相等、对所研究疾病的易感度及发病机会相等3 3、检测和观察方法及诊断标准必须一致、检测和观察方法及诊断标准必须一致 第15页/共60页2、随机化（randomization）原则：随机化是实验研究中据设计要求，受试对象的分组、施加于受试对象的处理以及实验顺序等都必须满足概率意义上的要求。贯彻随机分配原则是提高对比组之间均衡可比的重要

8、手段，是控制选择性偏倚唯一有效的方法。也是资料分析、统计推断的理论基础。第16页/共60页随机对照试验的设计模式第17页/共60页3、重复（replication）原则：可靠的实验结果，应能在相同条件下重现出来；可靠的实验结论也不能凭一次实验或35 例结果获得，一定有足够量的观察单位数。重复原则包含重现性和观察单位数量两方面含义。所以也是一个样本含量（sample size）大小问题。足够的观察单位数是保证重现的基础，而重复的同质可比条件等，也是保证实验能够重现的重要条件。第18页/共60页4 4、盲法原则、盲法原则 实验设计时常把盲法也作为一条附加原则，以更好地控制误差。单盲：受试者不知道分

9、组情况，有利于研究者了解情况，但可能会产生由研究带来的偏倚。双盲：研究者和受试者均未知分组情况和接受处理的具体内容，可以控制来自研究者和受试者两方面主观上的干扰。第19页/共60页（2 2）、样本大小的估计方法）、样本大小的估计方法）、样本大小的估计方法）、样本大小的估计方法在假设性检验中，统计意义不显著的结果，可能由二方面造成的：一、可能二组间是没有差别的；二、可能是二组间是有差别，但样本太小，不能用统计方法不详来证明这种结果。第20页/共60页确定子样的大小，可分为下面二个问题来解决：(1)二样本间个体数比例：当1/n1+1/n2是固定数值时，只要1/n1=1/n2时标准误是最小的。例如：

10、n1=n2=10时，1/n1+1/n2=0.2n1=15,n2=5时，1/n1+1/n2=0.2667n1=19,n2=1时，1/n1+1/n2=1.0526第21页/共60页(2)样本的个体数：原则上是二样本间均数差别愈大，需要的个体数愈少，均数差别愈小，需要个体数愈多，另一方面综合估计标准差愈小，则需要个体数愈少，标准差愈大，需要个体数愈多，因而在确定样本量之先，一定要知道标准差的约略值（二样本均数的约略差别）。第22页/共60页正确估计观察例数的标准,应该是保证研究课题具有一定代表性与可靠性的条件下所必须具有的最少例数，要符合这一标准，必须具备以下条件：第23页/共60页1.1.具有研究

11、指标的总体均数具有研究指标的总体均数、总体、总体 的的估计值估计值样本均数、标准差及样本率，这些值来源于以往的实验，通过查阅文献资料提供，或从研究者所作的预备实验结果中获取。第24页/共60页 2.2.容许误差与检验的差值容许误差与检验的差值容许误差与检验的差值容许误差与检验的差值，其其值越小，值越小，所需样本量也越大。所需样本量也越大。的选择有时需主观规定。例的选择有时需主观规定。例如在药物筛选中，用药组和对照组如在药物筛选中，用药组和对照组(不用药或用某种标准药不用药或用某种标准药)的差别可的差别可以主观规定。因为小于规定效果，以主观规定。因为小于规定效果，是不符合试验目的的；所以在设计是

12、不符合试验目的的；所以在设计中，样本的大小能证明这种规定效中，样本的大小能证明这种规定效果，就满足试验要求了。果，就满足试验要求了。=1 1-2 2 或或 =1 1-2 2第25页/共60页4.第二类错误的概率，1-又称统计效能，1-越大，需要的例数越多，一般取1-=0.8 或0.9，否则易出现假阴性结果。5.明确单侧或双侧3.第一类错误的概率，越小，需要的例数越多，一般取=0.05，可根据具体情况进行调整。第26页/共60页二、二、假设检验时的样本含量的估计：假设检验时的样本含量的估计：1样本均数与总体均数比较：单侧 n=(t2+t2)s/)2双侧 n=(t+t2)s/)22两样本均数比较：

13、单侧 n1=n2=2(t2+t2)s/)2双 侧 n1=n2=2(t+t2)s/)23配对（自身）均数比较：单侧 n=(t2+t2)sd/)2双侧 n=(t+t2)sd/)2第27页/共60页例如：两个随机样本均数的显著性检验例如：两个随机样本均数的显著性检验第28页/共60页例例1、某区有103所小学，51200名学生，某防治机构欲开展龋齿防治工作，拟定计划和经费预算，需事先对儿童龋齿率有较准确的估计，决定用单纯随机抽样方法做抽样调查，求代表总体95%的样本含量并拟定防治药品计划。第29页/共60页分析：椐以往经验，近似条件下个别学校的检查结果。儿童龋齿率为60%-70%（应取接近50%左右

14、，本例取60%），规定允许误差为3%，=0.05，即总体率的95%可信区间不大于p3%，u=u0.05=1.96.计算公式：n=(u/)2p（1-P）n=(1.96/3)20.6（1-0.6）=1024(人)至少需要调查1024人第30页/共60页例例例例2 2 2 2、现欲用抽样调查了解某地小学生蛔虫感染现欲用抽样调查了解某地小学生蛔虫感染率。要求误差不超过率。要求误差不超过3%3%，如取，如取=0.05=0.05，问需要，问需要调查多少人？调查多少人？分析：本例分析：本例=0.05=0.05，u u=u=u0.050.05=1.96=1.96，=0.03=0.03，P=0.5P=0.5（当

15、（当0.50.5时）时）代入代入 n=(un=(u/)/)2 2 P P（1-P1-P）=(1.96/0.03=(1.96/0.03）2 2 0.50.5（1-0.051-0.05）=1067.1=1067.1 1068 1068 至少需要调查至少需要调查10681068人人 第31页/共60页例例3 3、高血压的患病率为8%，研究者欲了解某地高血压的患病率。并希望误差不超过2%，问需要调查多少人？分析：取=0.05（双侧检验）u=u0.05=1.96，=0.02，P=0.08 代入 n=(u/)2 P（1-P）=（1.96/0.02）20.08（1-0.08）=706.8 707 至少需要调

16、查707人 第32页/共60页例例4 4、某单位拟用抽样调查了解该地区正常成人白血胞数的平均水平。希望误差不超过100个/mm3。据文献报导，正常成人白血胞数的标准差约为1000个/mm3。如取=0.05，问需要调查多少人？分析：本例=0.05，u=u0.05=1.96，S=1000个/mm3，=100个/mm3 代入 n=(u s/)2 =(1.961000/100)2 =384.2 385(人)至少需要调查385人。第33页/共60页已知血吸虫病人血红蛋白平均含量为9g/100ml,标准差为2.5g/100ml，现研究呋喃丙胺治疗后能使血红蛋白量增加，规定治疗前后血红蛋白量升高2g以上者为

17、有效，升高1g以下者为无效，求在显著水平是0.05，设计成功率p=90%，问应治疗多少人？例例5、第34页/共60页分析：因为本例只计算有效，所以用单侧检验，=2-1=1g/100ml、S=2.5g/100ml、2=0.10、2=0.20，查表t2=1.645，t2=1.282代入公式：n=(t2+t2)s/)2=（1.645+1.282）2.5/1）2=53.5故可认为需要治疗54人，即以56例进行研究，如该药确实有效，则有90%（1-）的把握可得出有差别的结论。第35页/共60页药物试验用对动物体重增加来表达效果。某药物与对照组经一段时间的使用，差别是1.2mg，估计标准差是2.4mg，求

18、在显著水平是0.05，设计成功率p=90%，求样本所需最低动物数。例例6、第36页/共60页分析：本例双侧检验，=1.2 mg、S=2.4 mg，=0.05、2=0.10，查表t=1.96，t2=1.282代入公式：n1=n2=2(t+t2)s/)2=2（1.96+1.282）2.5/1.2）2 =91.2 92这样设计每组最少92只动物。第37页/共60页例例7、用某药治疗矽肺病人后，尿矽的排出量平均比治疗前增加1.5mg/100ml，其标准差为2.5mg/100ml，假定确实能使尿矽排出量增加，定显著水平为=0.05，=0.10，问需要观察多少病人才能得出服药前后尿矽的排出量有差别的结论？

19、第38页/共60页分析：本例单侧检验，=1.5mg、S=2.5mg，=0.05、2=0.10，查表t2=1.645，t2=1.282n=(t2+t2)s/)2=（1.645+1.282）2.5/1.5）2=23.824这样设计的病人数最少为24人。第39页/共60页1.看资料类型看资料类型2.看分布特征看分布特征处理原则：处理原则：计量资料与计数资料的相对性计量资料与计数资料的相对性（计量（计量计数）计数）正态分布与偏态分布的关系正态分布与偏态分布的关系（偏态（偏态正态）正态）（3）、统计方法的正确应用）、统计方法的正确应用统计学方法运用前提统计学方法运用前提第40页/共60页注意：注意：t

20、t检验与方差分析的区别检验与方差分析的区别比较的内容比较的内容t t检验检验方差分析加方差分析加q q检验检验资料的利用率资料的利用率低：每次仅用两组低：每次仅用两组高：每次要用全部数据高：每次要用全部数据对原试验设计的影响对原试验设计的影响 残：割裂了整体设计残：割裂了整体设计全：于原试验设计呼应全：于原试验设计呼应犯假阳性错误的概率犯假阳性错误的概率 大：大：1-1-（1-0.051-0.05）nn小：小：=0.050.05结论的可靠性结论的可靠性低：统计量的自由度小低：统计量的自由度小 高：统计量的自由度大高：统计量的自由度大df=ndf=n1 1+n+n2 2-2-2组内误差的自由度组

21、内误差的自由度 第41页/共60页2、计量资料显著性检验的方法抉择、计量资料显著性检验的方法抉择比较组数 资料类型 显著性检验方法两组比较 非配对资料 随机样本t-检验 配对资料 配对 t-检验多组比较 非配对资料 单因素方差分析 配对资料 区组设计方差分析 协方差分析 拉丁方（交叉）设计 第42页/共60页3、计数资料统计显著性检验方法、计数资料统计显著性检验方法资料类型 显著性检验方法非配对小样本两组比较 直接概率法配对小样本两组比较 符号检验非配对大样本两组或多组比较 卡方检验配对大样本两组或多组比较 配对卡方检验第43页/共60页4、等级资料显著性检验方法、等级资料显著性检验方法比较组

22、数 资料类型 显著性检验方法两组比较 非配对资料 符号秩和检验 中位数检验 配对资料 配对秩和检验 符号秩和检验两组以上比较 非配对资料 H-检验 非参数法 配对资料 Friedman秩和检验第44页/共60页5、计数资料分类及适用的统计学方、计数资料分类及适用的统计学方法法列联表分类 适用的统计学分析方法双向无序表 卡方检验、直接概率法单向有序表 秩和检验、CPD、Ridit分析 双向有序且属性不同 相关分析、线性趋势检验双向有序且属性相同 一致性检验、特殊模型分析第45页/共60页常用计量资料假设检验方法常用计量资料假设检验方法常用计量资料假设检验方法常用计量资料假设检验方法比较目的比较目

23、的应应 用用 条条 件件统计方法统计方法样本与总体的比较样本与总体的比较 例数例数(n)(n)较大较大,(,(任意分布）任意分布）u u检验检验例例 数数(n)(n)较小（样本来自正态分布较小（样本来自正态分布t t检验检验两组资料的比较两组资料的比较例数例数(n)(n)较大较大,(,(任意分布）任意分布）u u检验检验（完全随机设计）（完全随机设计）例数例数(n)(n)较小，来自正态且方差齐较小，来自正态且方差齐成组设计的成组设计的t t检验检验例数例数(n)(n)较小且非正态或方差不齐较小且非正态或方差不齐成组设计的秩和成组设计的秩和t t检检验验配对资料的比较配对资料的比较例数例数(n)

24、(n)较大较大,(,(任意分布）任意分布）u u检验检验（配对设计）（配对设计）例数例数(n)(n)较小，差值来自正态较小，差值来自正态配对设计的配对设计的t t检验检验例数例数(n)(n)较小，差值来自非正态较小，差值来自非正态配对设计的秩和检配对设计的秩和检验验多组资料的比较多组资料的比较各组均数来自正态且方差齐各组均数来自正态且方差齐成组设计的方差分析成组设计的方差分析（完全随机设计）（完全随机设计）各组为非正态且方差不齐各组为非正态且方差不齐成组设计的秩和检验成组设计的秩和检验 配伍组资料的比较配伍组资料的比较各组均数来自正态且方差齐各组均数来自正态且方差齐配伍组设计的方差分析配伍组设

25、计的方差分析（配伍组设计）（配伍组设计）各组为非正态且方差不齐各组为非正态且方差不齐配伍组设计的秩和检配伍组设计的秩和检验验第46页/共60页计数资料的假设检验方法计数资料的假设检验方法计数资料的假设检验方法计数资料的假设检验方法比较目的比较目的应应 用用 条条 件件统计方法统计方法 样本率与总体率的比较样本率与总体率的比较nn较小时较小时二项分布的直接法二项分布的直接法np5&nq5np5&nq5二项分布的二项分布的u u检验检验 两个率或构成比的比较两个率或构成比的比较np5&nq5np5&nq5二项分布的二项分布的u u检验检验（完全随机设计）（完全随机设计）n40&T5n40&T5四格

26、表的四格表的 2 2 检验检验 n40n40&1T51T5 校校正正四四格格表表的的 2 2 检验检验 n40n40ororT1T40b+c40配对配对 2 2检验检验（配对设计）（配对设计）b+c40b+c5T5行行*列表列表 2 2检验检验 （完完全全随随机机设设计计）（列列联联表表 2 2检检验验）多多于于1/51/5的的格格子子1T51T5 行行*列列表表的的确确切切概概率率 （列列联联表表的的确确切切概概率法）率法）第47页/共60页等级资料的假设检验等级资料的假设检验等级资料的假设检验等级资料的假设检验比比 较较 目目 的的统统 计计 方方 法法 两组比较两组比较（完全随机设计）（

27、完全随机设计）两组比较的秩和检验两组比较的秩和检验多组比较多组比较（完全随机设计）（完全随机设计）多组比较的秩和检验多组比较的秩和检验配对设计配对设计符号秩和检验符号秩和检验配伍设计配伍设计配伍组设计的秩和检验配伍组设计的秩和检验第48页/共60页变量间的相关分析变量间的相关分析变量间的相关分析变量间的相关分析比比 较较 目目 的的应应 用用 条条 件件统统 计计 方方 法法 两变量间的依存关系两变量间的依存关系正态单变量资料正态单变量资料直线回归直线回归（I I型）型）正态双变量资料正态双变量资料直线回归直线回归（IIII型）型）两变量间的相互关系两变量间的相互关系正态单变量资料正态单变量资

28、料直线相关直线相关两变量都不服从正态两变量都不服从正态等级相关等级相关第49页/共60页多因素分析科研设计与应用时注意的问题多因素分析科研设计与应用时注意的问题1 1 1 1、样本含量、样本含量、样本含量、样本含量 研究因素越多，样本含量越大，研究因素越多，样本含量越大，样本含量至少是研究因素的样本含量至少是研究因素的 5-5-1010倍。倍。2 2 2 2、主要因素、主要因素、主要因素、主要因素 设计时为防止主要因素或指标遗设计时为防止主要因素或指标遗漏，尽可能多观察几个因素或指漏，尽可能多观察几个因素或指标。标。第50页/共60页（4 4）、实验设计中常见的错误）、实验设计中常见的错误例例

29、1 1 某某某某医医医医生生生生为为为为说说说说明明明明本本本本医医医医院院院院在在在在食食食食管管管管癌癌癌癌手手手手术术术术方方方方面面面面取取取取得得得得了了了了很很很很大大大大的的的的成成成成功功功功，将将将将本本本本医医医医院院院院与与与与其其其其他他他他国国国国家家家家和和和和地地地地区区区区不不不不同同同同年年年年份份份份的的的的食食食食管管管管癌癌癌癌手手手手术术术术切切切切除除除除率率率率及及及及手手手手术术术术死死死死亡亡亡亡率率率率用用用用一一一一览览览览表表表表显显显显示示示示出出出出来来来来，并并并并用用用用统统统统计计计计学学学学方方方方法法法法进进进进行行行行比比

30、比比较较较较，得出结论。得出结论。得出结论。得出结论。第51页/共60页错误分析：没有合理的实验设计，做手术的年代、条件等情况差距太大，又缺乏适当的对照组，因而组间缺乏可比性。第52页/共60页 例例2某人在研究某药物的治疗铅中毒的驱铅效果时，设计了如下的实验。某人在研究某药物的治疗铅中毒的驱铅效果时，设计了如下的实验。30名铅中毒工人脱离现场后住院住院治疗的结果名铅中毒工人脱离现场后住院住院治疗的结果观测指标治疗前治疗后血铅(mg/L)0.1810.0290.0730.019尿铅(mg/L)0.1160.0090.0870.010第53页/共60页错误分析：本研究试图利用前后对照来说明此药的

31、驱铅效果，统计分析的结果清楚的显示两组之间的差别具有非常显著性。但不能说明此药具有驱铅作用，因为脱离现场后即使不治疗亦有尿铅排出，实际上此研究成了具有假对照的研究。第54页/共60页l 例例3、有人在研究耐力训练与提高战士体质的关系时，设计了如下的实验：以血乳酸为主要观察指标，用20名连队的战士按训练方案进行耐力训练，以机关同龄的20名战士为对照，对照组进行日常活动，观察经4周训练后，两组战士进行一定量的运动时血乳酸的变化。两组战士训练前后血乳酸的观测结果两组战士训练前后血乳酸的观测结果组别血乳酸（mg/L）训练前训练后训练组38.23.533.13.1*对照组40.04.038.93.5第55页/共60页错误分析：对照组选择不合理，对照组除训练因素外，其它应尽可能与实验组一致，而机关兵和连队的战士由于工作性质的不同，体能的基础可能存在较大的不同，一开始两组就不具备可比性。第56页/共60页例4、有刊物报道,某厂调查纺织女工子宫下垂者为132人,其中115人为站立工作者,占87.12%;坐着工作的有17人,占12.88%。结论为“站立工作是子宫下垂的患病因素”。问此项资料是否支持该项结论？第57页/共60页错误分析：以比代率第58页/共60页谢谢各位！祝大家学业有成、事业成功！第59页/共60页