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科技论文书写第四章 实验设计的原则 Still waters run deep.流静水深流静水深,人静心深人静心深 Where there is life,there is hope。有生命必有希望。有生命必有希望 对照原则对照原则 实验设计的基本原则实验设计的基本原则 随即原则随即原则 重复原则重复原则一、对照原则一、对照原则（一）对照的意义（一）对照的意义u定义：定义：是随机选取一组或几组同质的研究对象，分别接受与实验组不同的吃力，以是随机选取一组或几组同质的研究对象，分别接受与实验组不同的吃力，以比较对照与实验组之间的差异，说明研究因素的效应大小比较对照与实验组之间的差异，说明研究因素的效应大小 是否采用了合理的对照，关系到医学科研成果和论文的价值。无对照或无合理的是否采用了合理的对照，关系到医学科研成果和论文的价值。无对照或无合理的对照与虚假的对照是医学科研和论文中存在的主要问题。设立合理的对照，能有效地对照与虚假的对照是医学科研和论文中存在的主要问题。设立合理的对照，能有效地抑制假阳性结果的发生抑制假阳性结果的发生1.1.通过对照可排除或控制自然变化和非处理因素对观察结果的影响通过对照可排除或控制自然变化和非处理因素对观察结果的影响 如通过对照可排除或抑制受试对象的生理、疾病现象因自然发展的波动以及疾病如通过对照可排除或抑制受试对象的生理、疾病现象因自然发展的波动以及疾病的自然恢复、好转、加重或死亡的影响；有些疾病（如感冒、过敏性支气管炎、过敏的自然恢复、好转、加重或死亡的影响；有些疾病（如感冒、过敏性支气管炎、过敏性皮炎、早期高血压等疾病），有的病人可不药而愈或症状缓解；只有通过对照才能性皮炎、早期高血压等疾病），有的病人可不药而愈或症状缓解；只有通过对照才能确定观察结果的成因确定观察结果的成因 再者，疾病除与治疗因素有关外，还与气候、营养、休息、精神状态等相关，只再者，疾病除与治疗因素有关外，还与气候、营养、休息、精神状态等相关，只有通过对照，才能鉴别处理因素与非处理因素的差异有通过对照，才能鉴别处理因素与非处理因素的差异2.2.通过对照可消除或减少实验误差通过对照可消除或减少实验误差 对照是为了使实验组和对照组的非处理因素处于相等状态，从而消除或减少实验对照是为了使实验组和对照组的非处理因素处于相等状态，从而消除或减少实验误差误差 T+S e+s T+S e+s对于实验组（施加处理因素）：总效应对于实验组（施加处理因素）：总效应=e+s=e+s 处理因素处理因素 T T 引起的实验效应引起的实验效应 =e=e对于空白对照组：总效应对于空白对照组：总效应=s=s3.3.对照的其它作用对照的其它作用通过对照可找出综合因素中的主要有效因素通过对照可找出综合因素中的主要有效因素验证实验方法的可靠性验证实验方法的可靠性休整实验数据休整实验数据找出实验的最适条件找出实验的最适条件分析实验中的问题或差错的原因分析实验中的问题或差错的原因（二）设立对照的注意事项（二）设立对照的注意事项1.1.组间应具有可比性组间应具有可比性2.2.以人作为试验对象的研究，组间对比时应考虑受试者心理因素的影响，以人作为试验对象的研究，组间对比时应考虑受试者心理因素的影响，需采用安慰剂和盲法进行观察需采用安慰剂和盲法进行观察3.3.对照组与试验组的例数应均衡，不能相差太大对照组与试验组的例数应均衡，不能相差太大4.4.自身前后对照应注意评价指标是否随时间的先后而变化自身前后对照应注意评价指标是否随时间的先后而变化5.5.受试对象的病理强度应较轻，否则实验效应不易显示出来受试对象的病理强度应较轻，否则实验效应不易显示出来（三）对照的形式（三）对照的形式1.1.空白对照：空白对照：不加任何处理的不加任何处理的“空白空白”条件下进行观察对照。如条件下进行观察对照。如“安慰剂安慰剂”2.2.实验对照：实验对照：在某种有关的实验条件下进行观察的对照。即在某种有关的实验条件下进行观察的对照。即“样品阴性对照样品阴性对照”3.3.标准对照：标准对照：不设立对照组，而是用标准值或正常值作对照不设立对照组，而是用标准值或正常值作对照4.4.自身对照：自身对照：对照与实验在同一受试对象身上进行。如用药前后比较实验指标对照与实验在同一受试对象身上进行。如用药前后比较实验指标 的变化的变化5.5.相互对照：相互对照：不设立对照组，而是几个有效的实验组相互对照不设立对照组，而是几个有效的实验组相互对照6.6.配对对照：配对对照：不是组间相互比较，而是将研究对象选择不是组间相互比较，而是将研究对象选择条件相同条件相同的两个配成一的两个配成一 对，分别给以不同的处理因素，对比两者之间的不同效应对，分别给以不同的处理因素，对比两者之间的不同效应二、随机原则二、随机原则（一）随机的意义（一）随机的意义 实验研究中，贯彻随机话原则是提高组间均衡性的重要手段，是进实验研究中，贯彻随机话原则是提高组间均衡性的重要手段，是进行资料统计的前提条件；在实验和调查研究时，贯彻随机化原则，才不行资料统计的前提条件；在实验和调查研究时，贯彻随机化原则，才不会因人为因素造成各组间的不均衡性，所得资料才具有统计学意义会因人为因素造成各组间的不均衡性，所得资料才具有统计学意义1.1.避免有意无意夸大或缩小组间差别所导致的实验结果的偏差避免有意无意夸大或缩小组间差别所导致的实验结果的偏差2.2.各种统计分析方法都是建立在随机化基础上的，只有实验过程中贯彻各种统计分析方法都是建立在随机化基础上的，只有实验过程中贯彻 了随机化原则，统计分析才有意义，统计的结果才有说服力了随机化原则，统计分析才有意义，统计的结果才有说服力（二）随机化方法（二）随机化方法 可供选择的随机化方法有：抽签法、拈阄法、随机数字表法，根据具体可供选择的随机化方法有：抽签法、拈阄法、随机数字表法，根据具体情况选用。在研究中广泛应用的是随机数字表法，随机数字表是随机化的重情况选用。在研究中广泛应用的是随机数字表法，随机数字表是随机化的重要工具要工具1.1.随机数字表随机数字表 随机数字表内的数字相互独立，无论从横行、纵列或斜向等各种顺序读随机数字表内的数字相互独立，无论从横行、纵列或斜向等各种顺序读取，均呈随机状态。使用随机数字表法时可从任何一个数字开始，按任何一取，均呈随机状态。使用随机数字表法时可从任何一个数字开始，按任何一个顺序采用个顺序采用 举例（举例（P19P19）2.2.随机排列表随机排列表 使用于分组、排列等的随机化，用法比随机数字表更简单使用于分组、排列等的随机化，用法比随机数字表更简单 举例（举例（P19P19）三、重复原则三、重复原则（一）重复的意义（一）重复的意义u重复：重复：指在相同试验条件下进行试验全过程，其表现形式有重复例数和重指在相同试验条件下进行试验全过程，其表现形式有重复例数和重复次数复次数 随机原则能在很大程度上抵消非处理因素造成的偏差，但由于受试对随机原则能在很大程度上抵消非处理因素造成的偏差，但由于受试对象的个体差异、观察例数少及其它偶然因素的的影响，一次实验结果往往不象的个体差异、观察例数少及其它偶然因素的的影响，一次实验结果往往不可靠，需增加观察例数，多次重复实验，以验证结果的真实可靠。重复是消可靠，需增加观察例数，多次重复实验，以验证结果的真实可靠。重复是消除非处理因素影响的又一重要手段除非处理因素影响的又一重要手段 重复例数大和重复次数多都将增加控制实验条件的难度，且增加实验重复例数大和重复次数多都将增加控制实验条件的难度，且增加实验成本；若样本含量过少，所用指标又不稳定，贯彻重复原则，可保证在样本成本；若样本含量过少，所用指标又不稳定，贯彻重复原则，可保证在样本含量较小的条件下，实验结果可靠稳定含量较小的条件下，实验结果可靠稳定（二）样本含量的估计（二）样本含量的估计1.1.影响样本含量的因素影响样本含量的因素 资料性质资料性质 一般，计量资料的样本量可比记数资料少，只要误差控制较一般，计量资料的样本量可比记数资料少，只要误差控制较 好，设计均衡，好，设计均衡，10102020例即可，但不能少于例即可，但不能少于5 5例；记数资料例；记数资料 的样本量应大些，一般在的样本量应大些，一般在3030100100例之间例之间误差大小误差大小 误差大的所需样本多，误差小者样本例数可少些误差大的所需样本多，误差小者样本例数可少些样本的均衡性样本的均衡性 均衡性好则所需样本量少；均衡性差则所需样本量多均衡性好则所需样本量少；均衡性差则所需样本量多实验效应强弱实验效应强弱 实验组数据与对照组差异大（效应强）则所需样本例数实验组数据与对照组差异大（效应强）则所需样本例数 少；反之则多少；反之则多2.2.统计学上的基本要求统计学上的基本要求第一类错误的概率第一类错误的概率（检验水平）（检验水平）u概念：概念：检验水平在统计学上成第一类错误，即指比较的两组（或多组）作假设检验检验水平在统计学上成第一类错误，即指比较的两组（或多组）作假设检验时，的出假阳性错误的概率（用时，的出假阳性错误的概率（用表示）表示）值越小，所需样本量越大；反之则少值越小，所需样本量越大；反之则少检验效能（检验效能（1-1-）u概念：概念：也称把握度，指在特定的也称把握度，指在特定的水平下，若总体间确实存在差异，本次试验能发水平下，若总体间确实存在差异，本次试验能发现此差异的概率现此差异的概率u：指第二类错误的概率，即得出假阴性错误的概率指第二类错误的概率，即得出假阴性错误的概率 1-1-定得越大，则所需的样本量越大定得越大，则所需的样本量越大总体标准差（总体标准差（）通常用预试验的样本标准差估计通常用预试验的样本标准差估计所比较的两个总体参数间的差值所比较的两个总体参数间的差值u两总体参数间差（两总体参数间差（）：）：用预试验或专业上认为有意义的差值代替用预试验或专业上认为有意义的差值代替3.3.应用范围应用范围达到有统计学意义的最低样本含量达到有统计学意义的最低样本含量例如例如 两样本均数比较两样本均数比较 根据参考文献与预试验，估计根据参考文献与预试验，估计=1 1-2 2，期望达到检验效能（，期望达到检验效能（1-1-）=1-0.10=0.90=1-0.10=0.90，按规定的检验水平按规定的检验水平=0.05=0.05，取两样本例数相等，则两组总样本例数为，取两样本例数相等，则两组总样本例数为估计检验效能估计检验效能 由参考文献得知某研究的试验样本量由参考文献得知某研究的试验样本量 n n，根据总体的差值估计此试验的检验效能是，根据总体的差值估计此试验的检验效能是否足够大否足够大例如例如 两样本均数比较，当两样本例数相等时两样本均数比较，当两样本例数相等时估计总体参数的差异（估计总体参数的差异（）根据已知条件初步确定样本含量根据已知条件初步确定样本含量 n n，并规定期望的检验效能，并规定期望的检验效能P Powerower=1-=0.90=1-=0.90，估计总，估计总体参数的差值体参数的差值例如例如 两样本均数比较两样本均数比较 4.4.常用于估计样本含量的方法常用于估计样本含量的方法（1 1）样本均数与总体均数比较）样本均数与总体均数比较 n n为所需观察的例数，为所需观察的例数，s s：为标准差：为标准差()()，：两样本均数差值，：两样本均数差值，与与分分别代表别代表=0.05=0.05、0.01,=0.10.01,=0.1时的概率值时的概率值 例例1 1 用某药物治疗矽肺患者，估计可增加尿矽的排除，当标准差为用某药物治疗矽肺患者，估计可增加尿矽的排除，当标准差为89mmol/L89mmol/L，=0.05,=0.1=0.05,=0.1的概率，能分辨尿矽排除量平均增加的概率，能分辨尿矽排除量平均增加35.6mmol/L,35.6mmol/L,需要观察多需要观察多少例矽肺患者？少例矽肺患者？计算法计算法:的概率的概率:=0.050.05=1.648=1.648，的概率的概率:=0.10.1=1.282=1.282=35.6=35.6，S=89.0S=89.0 所以该研究需观察约所以该研究需观察约5454例矽肺患者。若该药确实能够增加尿矽排出量，则例矽肺患者。若该药确实能够增加尿矽排出量，则有有90%90%（即（即1-1-）的把握可以得到有差别的结论）的把握可以得到有差别的结论查表法查表法：查表：查表13(P187)13(P187)：:=0.1 =0.1 1-=0.9,=0.05(1-=0.9,=0.05(单单),),选择列选择列 /=35.6/89=0.4,/=35.6/89=0.4,选择行选择行 得得n=55 n=55（2 2）两样本均数比较）两样本均数比较 两样本均数相等两样本均数相等 n n为所需观察的例数为所需观察的例数 s s：标准差：标准差()()：两样本均数差值：两样本均数差值例例2 2 A,BA,B两种处理的动物冠状静脉窦血流量实验，两种处理的动物冠状静脉窦血流量实验，A A处理平均增加血流量处理平均增加血流量1.8ml/min,B1.8ml/min,B处理平均增加血流量处理平均增加血流量2.4ml/min2.4ml/min。已知两处理标准差相等，。已知两处理标准差相等，均为均为1.0ml/min1.0ml/min，=0.05=0.05、=0.1,=0.1,要得出两处理有差别的结论要得出两处理有差别的结论,需要观需要观察多少实验动物。察多少实验动物。解：解：本例本例=2.4-1.8=0.6=2.4-1.8=0.6，(s)=1.0(s)=1.0，双侧，双侧=0.05=0.05，0.05=1.960.05=1.96，=0.1=0.1，0.1 =1.2820.1 =1.282a.a.计算方法：计算方法：两组合计所需两组合计所需117117例，平均每组约需动物例，平均每组约需动物5959例例b.b.查表查表1414(P(P188188)：选择行选择行 选择列选择列 得出每组得出每组6060例例 两样本均数不等两样本均数不等 n n为所需观察的例数为所需观察的例数Q Q1 1与与Q Q2 2分别代表两组样本含量的比例，分别是分别代表两组样本含量的比例，分别是Q Q1 1与与Q Q2 2的倒数的倒数 例例3 3 用新药降底高血脂患者的胆固醇，研究者规定实验组与对照组（安慰剂）用新药降底高血脂患者的胆固醇，研究者规定实验组与对照组（安慰剂）相比，平均降低相比，平均降低20mg/L20mg/L以上，才有实际推广应用价值。从参考文献中得知胆以上，才有实际推广应用价值。从参考文献中得知胆固醇的标准差为固醇的标准差为30mg/L30mg/L。规定单侧。规定单侧=0.05=0.05，=0.1=0.1，要求估计样本含量。，要求估计样本含量。因难以做到因难以做到n n1 1=n=n2 2，规定，规定Q Q1 1=0.4=0.4，Q Q2 2=0.6=0.6。解：解：本题本题=0.05=0.05，单侧，单侧0.050.05=1.645=1.645，=0.1=0.1，0.10.1=1.282=1.282，=20=20，=30=30 a.a.计算法计算法:40%40%为实验组为实验组,需要需要800.4=32800.4=32例例 总例数总例数80 80 60%60%为对照组为对照组,需要需要800.6=48800.6=48例例b.b.无查表方法无查表方法 （3 3）配对、交叉及试验前后比较）配对、交叉及试验前后比较 n n 为所需观察的对子数，为所需观察的对子数，为对子差值的标准差为对子差值的标准差例例4 4 研究碳酸铝对白细胞减少症的治疗效果。已知患者白细胞数治疗研究碳酸铝对白细胞减少症的治疗效果。已知患者白细胞数治疗后比治疗前增加后比治疗前增加109/L109/L，标准差为，标准差为1.2 109/L1.2 109/L。规定双侧。规定双侧=0.05=0.05，=0.1=0.1，求样本含量。，求样本含量。解：解：本题本题0.05 0.05=1.96=1.96，0.10.1=1.282=1.282，=109/L=109/L，d d=1.2 109/L=1.2 109/La.a.计算法计算法，代入公式：，代入公式：b.b.查表法：查表法：查表查表13(P13(P187187):):行行:/=1/1.2 =0.83=1/1.2 =0.83 列列:双侧双侧=0.05=0.05，1-=0.91-=0.9 得出得出:18:18例例（4 4）两样本率比较）两样本率比较两样本例数相等两样本例数相等 n n为所需观察两组的总例数，为所需观察两组的总例数，1 1与与2 2分别为两组的总体率，分别为两组的总体率，表示两组表示两组的合并率的合并率 例例5 5 用旧药治疗慢性肾炎的近控率为用旧药治疗慢性肾炎的近控率为30%30%，现试验新药疗效，新药的近控，现试验新药疗效，新药的近控率须要达到率须要达到50%50%。才有推广应用意义。问两组需要样本含量多少。如新药。才有推广应用意义。问两组需要样本含量多少。如新药组占组占60%60%，旧药占，旧药占40%40%各需要多少。各需要多少。解解:本题本题1 1=30%=30%，2 2=50%=50%，合并率（，合并率（)=30+50/2=40%)=30+50/2=40%，单侧，单侧=0.05=0.05，0.050.05=1.645=1.645，=0.1=0.1，0.10.1=1.282=1.282a.a.计算法计算法:代入公式：代入公式：b.b.查表法查表法(表表16,P16,P190190)行：较小率行：较小率1 1=30%=30%，2 2=50%,=50%,取取1 1=30%=30%列：率差列：率差=50%-30%=20%=50%-30%=20%单侧单侧=0.05=0.05，=0.1,1-=0.9(=0.1,1-=0.9(中行列中行列)得出得出:100:100例例(每组每组)两样本例数不相等两样本例数不相等 上题问：如新药组占上题问：如新药组占60%60%，旧药占，旧药占40%40%各需要多少各需要多少n n为总例数，为总例数，1 1与与2 2分别为两组的总体率，分别为两组的总体率，表示两组的合并率表示两组的合并率Q Q1 1与与Q Q2 2分别代表两组样本含量的比例，分别代表两组样本含量的比例，分别是分别是Q Q1 1与与Q Q2 2的倒数的倒数新药组占新药组占60%=20960%=12560%=20960%=125例例旧药组占旧药组占40%=20940%=8440%=20940%=84例例