1、医学统计学,实验设计experimental design,医学研究的四大步骤,研究设计搜集资料整理资料分析资料,统计学家与科学研究者的合作应该在实验设计阶段，而不是在需要数据处理的时候。 To call in the statistician after the experiment is done may be no more than asking him to perform a postmortem examination: he may be able to say what the experiment died of. R.A.Fisher,内容,实验研究的概念和特点实验设计的
2、三要素实验设计的三原则实验设计的类型样本含量的估计,医学史上第一次临床试验,自从世界上有了船，有了航海，有了以船为家，周游世界的海员，就有了一种病。当船员们夜以继日地航行于茫茫大海，很多人就会莫明其妙地出现疲乏无力、牙床溃烂、皮肤淤斑等，以至于不能正常工作，这种病当时被叫做“坏血病”,医学史上第一次临床试验,1747年5月20日，苏格兰海军军医James Lind在公海海域的一条叫做Salisbury的船上开始用他设计的方法来给12名船员治疗。 James Lind把12名船员安排在同一房间里，饮食也相同。不同的是，将12名船员俩俩一组，分别给他们不同的方法治疗：两个人给苹果酒；两个人给硫酸丹
3、剂；两个人给醋；两个人给海水；两个人给香料、大蒜和芥子的混合物；两个人给桔子和柠檬。,医学史上第一次临床试验,6天过去后，接受桔子和柠檬治疗的海员一个可以正常工作了，另一个也可以帮助医生照顾其他病人了。 1753年，Lind以“A treatise of the scurvy”为题，报告了上述试验的结果。 从那以后，医生就用桔子和柠檬来治疗坏血病。当然，直到维生素C被发现后，桔子和柠檬治疗坏血病的机制才得以阐明。而Lind医生做梦也没有想到，他的试验成为医学史上第一次临床试验，开创了临床试验的先河。 后来，为了纪念James Lind和这次试验，还发行了邮票。,一、实验研究的概念,将一组随机抽
4、取的受试对象随机分配到两个或多个处理组，观察比较不同处理组的效应，称为实验研究（experimental study）。专业设计和统计设计的结合 专业设计指研究者对专业知识的把握能力，直接影响研究的深度和水平先进性。 统计设计指研究者对统计学知识的正确应用，直接影响研究的质量科学性。,实验研究的特点,处理因素是研究者根据研究目的人为设置的受试对象接受何种处理与水平是由随机分配而定的。证据的可靠性强,二、实验设计的三要素,受试对象（subject）实验因素（处理因素，treatment）实验效应（effect）,处理因素,受试对象,实验效应,（一）受试对象（subject）,受试对象,1、受试对
5、象的“质”：同质性（homogeneity）敏感性：对处理因素敏感稳定性：实验效应稳定,受试对象,例：研究某药物对高血压的治疗效果宜选用II期高血压患者为受试对象I期高血压患者血压波动较大III期高血压患者对药物不够敏感,受试对象,患者： 公认的疾病诊断标准 纳入标准（inclusion criteria） 排除标准（exclusion criteria） 依从性好：依从性指受试对象在试验过程中对于处理因素的服从程度。 由于各种原因退出试验的可能性小。,例：某中药治疗十二指肠溃疡疗效观察,纳入标准：年龄在1870岁之间;入选前35天内经胃镜检查证实为活动期十二指肠溃疡,溃疡长径在0.42之间,
6、溃疡数不超过2个;入组前48小时内停服一切抗溃疡药物。 排除标准：复合性溃疡或溃疡数超过2个 ;有溃疡严重并发症 (出血、穿孔、癌变等 )史;有胃、十二指肠手术史;孕妇或哺乳期妇女;心、肝、肾功能异常者;正在服用非类固醇抗炎药或皮质激素类药物。,受试对象,衡量病人依存性的方法：清数剩余药量法： 依存性（实际服用的药量/处方量）100生物化学测定法： 用生化等方法测定病人血液中药物浓度水平,样本获取-来自研究生开题报告,人参皂甙Rg3治疗子宫内膜异位症体外实验研究 子宫内膜异位症患者的在位及异位内膜细胞组：选取2006年4月至2007年4月因子宫内膜异位症在某医院妇产科行腹腔镜术或剖腹术的住院患
7、者15-30例，均于月经第3-13天施术，取在位内膜和异位内膜组织，术后病理组织检查证实为子宫内膜异位症。 正常妇女的子宫内膜细胞组：为同期本院门诊正常育龄妇女共15例，于放置宫内节育器前行细管吸宫法获取子宫内膜，术后病理组织检查证实无病理改变。,受试对象,动物： 种类 品系 月龄 性别 体重 窝别 营养状况,受试对象,2、受试对象的“量”样本含量（sample size）的估计,（二）实验因素（处理因素）,处理因素,1、抓住主要处理因素（包括数量和水平）抓住与研究目的紧密相关的关键因素作为实验的处理因素 区分主要处理因素和次要因素 单因素多水平实验 多因素多水平实验,处理因素-来自研究生开题
8、报告,L-精氨酸（L-Arg）的不同剂量对心肌顿抑兔的心肌保护作用的研究 家兔36只，随机分为6组，每组6只。 Group1：缺血再灌注对照组 Group2：松解前降支后，泵入L-Arg 2mg/kg/min Group3：松解前降支后，泵入L-Arg 4mg/kg/min Group4：松解前降支后，泵入L-Arg 8mg/kg/min Group5：松解前降支后，泵入L-Arg 16mg/kg/min Group6：松解前降支后，泵入L-Arg 32mg/kg/min 测定血液动力学指标、CK、LDH、MDA等。,处理因素-来自研究生开题报告,联合应用安丫啶与阿米福汀对U937细胞株（急性
9、单核细胞白血病细胞株）的凋亡作用 分9组：空白对照组； 安丫啶2.0umol/L; 安丫啶10.0umol/L； 阿米福汀0.1umol/L; 阿米福汀10.0umol/L; 安丫啶2.0umol/L+阿米福汀0.1umol/L; 安丫啶2.0umol/L+阿米福汀10.0umol/L; 安丫啶10.0umol/L+阿米福汀0.1umol/L; 安丫啶10.0umol/L+阿米福汀10.0umol/L; 检测Caspase-3的表达,处理因素,2、找出非处理因素并加以控制非处理因素指处理因素外，有可能影响实验结果的非研究因素 如患者的年龄、性别、病情、病程等 如动物造模时的损伤程度等控制非处理
10、因素：研究设计和分析阶段,处理因素,3、处理因素应标准化处理因素在整个实验过程中应始终如一，保持不变。包括处理因素的施加方法、强度、频率和持续时间等。临床试验中，药品的性质、成分、批号、保存方法等应完全相同。手术或操作的熟练程度应自始至终保持恒定。,（三）实验效应（effect）,1、指标的选择必须与研究目的密切关联定量指标比定性指标能提供更多的信息客观性强、精确性好、灵敏度高、特异度高,实验效应,2、指标的观察避免偏性（bias）单盲（single blind）双盲（double blind）开放试验（open label）,三、实验设计的三原则,对照（control）随机化（randomi
11、zation）重复（replication）,Sir Ronald Aylmer Fisher,18901962,Rothamste Agricultural Station,Fisher于Rothamste研究作物产量时，完善了实验设计的原则,（一）对照原则,1、对照的意义“有比较才有鉴别，对照是比较的基础。”设立对照能消除非处理因素对实验结果的干扰，将处理因素的效应分离出来，以避免对结果做出错误的判断。,对照,2、对照的类型 （1）空白对照（blank control） （2）实验对照（experimental control） （3）标准对照（standard control） （4）相
12、互对照（mutual control） （5）历史对照（historical control）,对照-来自研究生开题报告,人参皂苷Rg1对脑缺血影响的行为指标分析 目的：研究人参皂苷Rg1对实验性脑缺血的影响,并对大鼠脑缺血的行为指标进行分析,以期初步了解Rg1对脑缺血的保护和治疗作用。 方法：制作大鼠大脑中动脉供血区梗塞模型,腹腔给予不同组别不同剂量的Rg1 (50、100、200mg/kg),比较不同剂量组与阳性对照组(尼莫地平1mg/kg)和模型对照组(0.9%生理盐水5 ml/kg)神经功能缺失症状评分。,对照-来自研究生开题报告,促红细胞生成素对血管性痴呆大鼠微管蛋白表达及胆碱能神经
13、纤维保护作用的研究 选择健康、雄性、老龄912月Wistar大鼠30只，体重350400克，随机分成三组：用药组、未用药组和假手术组。应用“两血管阻断+硝普钠降压”法建立血管性痴呆动物模型：用无伤害性动脉夹同时夹闭双侧颈总动脉10min，松开动脉夹恢复血供10 min ，再夹闭双侧颈总动脉10min。在夹闭血管之前腹腔注射小剂量硝普钠（2.5mg/kg）。用药组和未用药组的造模方法同上所述，而假手术组只将双侧颈总动脉从颈动脉鞘内分离。,对照,3、设立对照应做到： 均衡：除了处理因素外，对照组应具备与实验组对等的非处理因素。 同步：在整个实验过程中，对照组与实验组应处于相同的时间和空间，即同期对
14、照（concurrent control）。 专设：任何一个对照组都是为了其相应的实验组专门设立的，一般不借用文献上记载或以往的结果或其它研究资料作为本研究对照。,对照,常见错误 不设立对照组 对照设置不合理对照的重要性无论怎么强调都不过分如果没有合理的对照，这项研究最好放弃。,（二）随机化原则,1、随机化指采用随机的方式，使每个受试对象都有同等的机会被分配到不同的实验组和对照组。2、随机化的目的是使各种已知或未知的特征（如年龄、性别、病情等）在各实验组和对照组间均衡。,随机化,注意：随机化分配虽能提高比较组间的均衡性，但并不能保证比较组间具有均衡性。对大样本效果好，小样本效果差。,随机化,3
15、、随机数字（random number）的来源随机数字表计算机伪随机数（pseudo random number） 固定伪随机数发生器的种子数（seed number），产生的随机数便具有重现性。,（三）重复原则,观察单位的数量（sample size）重复的作用是估计和控制实验中的随机误差,四、常用实验设计方法,完全随机设计 随机区组设计 交叉设计 析因设计 重复测量设计 拉丁方设计 正交设计 裂区设计,（一）完全随机设计,Completely randomized design 单因素两水平或多水平的设计 概念：将同质的受试对象随机分配到两个或多个处理组，观察不同处理的效应。 平衡设计（b
16、alanced design）：各组n相等，效率较高，值得推荐。 举例,完全随机设计,优缺点随机化分组方法,分组步骤：(N=16, G=4)实验单位编号：1 2 3 4 5 6 7 8 随机数： 76 63 10 21 85 90 65 08 序号R 14 12 3 5 15 16 13 2 处理 T4 T3 T1 T2 T4 T4 T4 T1 实验单位编号：9 10 11 12 13 14 15 16 随机数： 27 54 31 03 13 61 24 37 序号R 7 10 8 1 4 11 6 9 处理 T2 T3 T2 T1 T1 T3 T2 T3,分段随机化,适用于大样本的随机化分组
17、。 分组过程分为多个阶段进行。将受试对象划分为若干区段，每个区段内分别进行完全随机化分组。,例：将160名患者用分段随机化方法分为两组。,可划分为20个区段，每区段8人，规定每个区段内随机数序号为14者为A组，58者为B组。,重复以上过程，得到另外19个区段的分组结果。,来自丁香园/医学统计学板块,我有一个实验设计方面的问题向大家请教。就是以小鼠体重为参考指标，采用什么方法将小鼠分组才能保证分组后每组间的小鼠的 体重差异最小？一次临床试验中需要100例病人，如果第1位来就诊的病人按随机的方法分组(如A组)，则第2位分入B组，3A，4B.如此交叉，此设计方法是否遵循了有关统计学原则？,（二）随机
18、区组设计,配对设计（paired design） 随机区组设计（randomized block design） 概念：将受试对象按性质相同或相近组成对子或区组（配伍组），对子内或区组内的受试对象随机分配到不同处理组。 举例,配对设计例子,为探讨慢性支气管炎与血中胆碱酯酶活性的关系，将16只Wister大鼠按性别相同、月龄、体重相近的条件配成8对，再随机分入对照组和实验组，对照组在清洁空气中饲养，实验组在含有0.3mg/m2甲醛的空气中饲养，8周后测量胆碱酯酶活性。问实验组大鼠血中胆碱酯酶活性是否高于对照组？,随机区组设计,Fisher 用随机区组设计的思想耕种的一块田,随机区组设计,优缺点随
19、机化分组方法：先配对或配伍，然后对子内或配伍组内随机化。,1. 将同窝大白鼠作为一个区组； 2. 给同窝中3只大白鼠编号； 3给区组内每个大白鼠一个随机数；规定随机数最小者分到甲组，中等者分到乙组，最大者分到丙组；,4个区组大白鼠随机排列结果,例：以大白鼠的窝别为配伍因素，将12只大白鼠分为3个处理组。,（三）交叉设计,Cross-over design概念举例优缺点,（四）析因设计,Factorial design 概念：将两个或多个实验因素的各水平进行组合，对各种可能的组合都进行实验，探讨各实验因素的主效应（main effect）以及各因素间的交互效应（interaction）。又称完全
20、交叉分组实验。 举例 优缺点,（五）重复测量设计,Repeated measurement design概念：同一受试对象、同一观察指标、不同部位或不同时间重复测量特点：不同时间点测量值非独立举例：例12-3优缺点,来自研究生开题报告-例1,新型注入材料在锥体成形术治疗骨质疏松脊柱压缩性骨折（OVCFs）中的实验研究 选用健康的新西兰纯种雌性兔30只，5月龄，体重2-2.5kg。 随机选6只做为空白对照组（A组），不做处理。 剩余的24只造成OVCFs模型后分成四组，每组6只。 B组：造模成功后不注射任何药物。 C组：造模成功后注入聚甲基丙酸甲酯骨水泥。 D组：造模成功后注入瑞邦骨泰。 E组：
21、造模成功后注入骨形态发生蛋白。 进行各组的骨密度、X光片、生物力学测定和组织切片等观察。,来自研究生开题报告-例2,联合应用安丫啶与阿米福汀对U937细胞株（急性单核细胞白血病细胞株）的凋亡作用 分9组：空白对照组；安丫啶2.0umol/L; 安丫啶10.0umol/L；阿米福汀0.1umol/L; 阿米福汀10.0umol/L; 安丫啶2.0umol/L+阿米福汀0.1umol/L; 安丫啶2.0umol/L+阿米福汀10.0umol/L; 安丫啶10.0umol/L+阿米福汀0.1umol/L; 安丫啶10.0umol/L+阿米福汀10.0umol/L; 检测各组Caspase-3的表达,
22、来自研究生开题报告-例3,促红细胞生成素（EPO）对大鼠急性高眼压视网膜神经节细胞损伤的保护作用 27只Wistar大鼠随机分为3组，正常组3只，高眼压生理盐水对照组和高眼压EPO治疗组分别为12只，再将对照组和治疗组按取材时间点（6h、24h、48h、72h）随机分为4个亚组，每组3只。正常组不作处理直接处死，对照组和治疗组于造模前3h分别腹腔注射等剂量的生理盐水和EPO，分别于造模成功后6h、24h、48h、72h取视网膜标本制作切片，HE染色观察神经节细胞形态学变化，计数神经细胞,其它设计,拉丁方设计正交设计裂区设计,五、样本含量估计,1、样本含量（sample size）即观察单位数，
23、指在保证研究结论具有一定可靠性（精确度和检验效能）前提下，实验所需要的最少观察单位数。2、目的：用最少的经费完成最高效率的实验，并达到要求的可靠性。,样本含量估计,3、方法手工计算 查表法 统计软件 nQuery Advisor PASS（power analysis and sample size）,样本含量估计,4、意义用估计的样本含量做实验，若总体参数间确实相差，则预期有（1-）的概率，按检验水准得出差别有统计学意义的结论。,5、影响因素 I型错误概率：一般为0.05 II型错误概率或检验效能（1- ）：检验效能0.80以上 容许误差：查文献或预实验 总体相关信息：查文献或预实验 均数比
24、较：变异度 率比较： 相关分析：,6、计算公式两种用途已知检验效能，估计样本含量已知样本含量，反估计检验效能,来自丁香园/医学统计学板块-例1,做了一个关于两种术式效果的对比观察，一组29人，一组21人。投往SCI，反馈： Did you perform a power calculation to determine the number of subjects needed to determine if there is a statistical difference between treatments? If so, please report this. The differen
25、ce in numbers of subjects in the treatment and control groups is unusual for a study this size and should be commented on (was this intentional based on power calculations and design?) 实话实说，设计的时候不知道要做power calculation, 这是个什么东西，必须要做吗，上学的时候好像没学过啊。,来自丁香园/医学统计学板块-例2,求助英译汉：The study was powered to detect
26、 a difference in the minimal luminal diameter between the on-pump and off-pump groups of 0.3 mm, with an assumed standard deviation of 0.5 mm (a power of 80 percent and a two-sided alpha level of 0.05), given the enrollment of 100 patients.,来自丁香园/医学统计学板块-例3,请问这句话怎么翻译？Twenty-five patients per group t
27、hus provided an 80% power for detecting a 40% difference in Di-Antalvic consumption at an alpha level of 0.05.,来自丁香园/医学统计学板块-例4,申请动物试验的时候,在申请书上有如下的统计学方面的要求。哪位统计学的专家能指点一下,我也很想学习。 试验的大概内容是检测两种不同的治疗肿瘤的方法,模型是小鼠皮下注射肿瘤,观察肿瘤大小的变化。 对于下面的问题,我只能回答一部分。 当时的统计学没有学好,怪自己。,来自丁香园/医学统计学板块-例4,Justification of the numb
28、er of animals to be used. Will any statistical analysis (e.g. test, Fishers Exact test, Students t-test and ANOVA) be used? Yes (proceed to b) 应该是Yes No (proceed to c),来自丁香园/医学统计学板块-例4,Indicate the statistical method and provide the following parameters in order to justify the number of animals to b
29、e used. i. The effect size of biological interest : The effect size stands for how large a biological effect would be of scientific interest. ii. The standard deviation : iii. The significant level : 我想应该是P0.05 iv. The desired power of the experiment :是自由度吗? v. The alternative hypothesis (i.e. a one- or two-sided test).,Thank You!,
