宁波大学医学科研设计与研究方案制定.ppt

医学科研设计与研究方案制定医学科研设计与研究方案制定 宁波大学医学院宁波大学医学院 沈其君沈其君医学科研设计与研究方案制定医学科研设计与研究方案制定医学科研的基本程序医学科研的基本程序医学研究的常见类型医学研究的常见类型 实验研究的基本要素与设计的基本原则实验研究的基本要素与设计的基本原则常见的研究设计类型常见的研究设计类型调查研究的基本内容调查研究的基本内容调查研究的常用技术调查研究的常用技术常见的随机抽样方法常见的随机抽样方法研究设计方案的制定研究设计方案的制定 第一章第一章 绪绪 论论研究设计方案的评价研究设计方案的评价医学科研的基本程序医学科研的基本程序医学科研设计的意义医学科研设计的意义医学科学研究的类型医学科学研究的类型研究设计方案的评价研究设计方案的评价v项目的先进性与创新性项目的先进性与创新性v项目的研究意义项目的研究意义(社会经济效益社会经济效益,应用前景应用前景)v项目的研究工作基础和现有条件项目的研究工作基础和现有条件v研究设计科学性和合理性研究设计科学性和合理性医学科研的基本程序（过程）医学科研的基本程序（过程）总总结结成成文文 整整理理与与分分析析 调调查查与与试试验验 研研究究方方案案形形成成 开开题题报报告告 初初预预试试验验 段段 阶阶 初初步步设设计计 题题 立立 文文献献资资料料调调研研 问问题题提提出出文献资料的调研文献资料的调研手工检索手工检索index medicus(IM),biological abstracts(BA),chemical abstracts(CA),science citation index(SCI),詞（辞）典、字典，药典，百科全书、年鉴，手册等；数据库检索数据库检索 MEDLINE 光盘数据库，中国生物医学文献数据库(CBMDisc)，中国学术期刊全文数据库，EMBASE数据库（药学），BA on CD数据库，CA on CD数据库，SCI数据库；文献资料的调研文献资料的调研 网上医学信息的获取网上医学信息的获取 PubMed检索 提供MEDLINE服务(www.ncbi.nlm.nih.gov/PubMed)Medical Matrix检索 临床医学信息资源库（www.medmatrix.org)Medical World Search 检索（)万方数据的检索()其他医学网站医学科研设计的意义（一）医学科研设计的意义（一）什么叫科研设计什么叫科研设计 在科学研究实施前，应用医学专业知识和研究在科学研究实施前，应用医学专业知识和研究设计的原理、原则和方法，对将要进行的研究设计的原理、原则和方法，对将要进行的研究项目的目的意义、目标与内容、对象与观察指项目的目的意义、目标与内容、对象与观察指标、研究方法与设计路线等有一个全面的计划标、研究方法与设计路线等有一个全面的计划和安排，并制定出一个具体的方案。和安排，并制定出一个具体的方案。专业设计：创造性与有用性 统计设计：重复性与经济性 医学科研设计的意义（二）医学科研设计的意义（二）为什么要进行科研设计为什么要进行科研设计医学研究的特点医学研究的特点 研究对象 研究方法医学研究历史教训医学研究历史教训 三个例子医学研究的发展趋势医学研究的发展趋势 交叉融合 数量化 多因素综合作用 医学科研设计的意义（三）医学科研设计的意义（三）v良好的研究设计可用较少的人力、物力和财力获得丰富可靠的资料；v能较好地控制试验误差和混杂，并作出估计，保证结果的可靠、可重复；v利用多因素试验设计方法，在一个试验中按排多个研究因素，提高试验的效率；v一份良好的设计是整个科研过程的依据。医学科学研究的类型医学科学研究的类型实验研究实验研究 在严格控制实验条件下，研究因素由研究者主动给予受试者（研究对象）按排的一种研究。调查研究（观察性研究）调查研究（观察性研究）是指研究因素不受研究者主观控制，而是对现场或人群中已经客观存在的现象、差别和联系进行观察和调查。两者关系两者关系 结合使用，相互补充医学科学研究的类型医学科学研究的类型 临床试验(药物、随机对照试验 疗法、手术）配对设计实验研究 实验室(动物)试验 配伍组设计 人群干预试验 交叉试验设计 新材料等医工结合 析因试验设计 正交试验设计 医学科学研究的类型医学科学研究的类型 横断面研究设计 临床观察 两组或多组对照研究 诊断试验 诊断试验设计与评价 调查研究 现况调查 医学随访研究设计 病因探索 病例对照研究设计 预后研究 前瞻性研究设计 第二章第二章 实验设计实验设计v实验研究的三个基本要素实验研究的三个基本要素v实验设计的三个基本原则实验设计的三个基本原则v样本大小的估计样本大小的估计v偏倚和误差的控制偏倚和误差的控制v常见的研究设计类型常见的研究设计类型第一节第一节 实验研究的三个基本要素实验研究的三个基本要素研究因素（处理因素）研究因素（处理因素）受试对象（研究对象）受试对象（研究对象）实验效应（研究观察指标）实验效应（研究观察指标）新药临床试验的例子新药临床试验的例子研究因素（处理因素）研究因素（处理因素）概念：研究者感兴趣的对试验有影响的试验条概念：研究者感兴趣的对试验有影响的试验条件或因素；件或因素；研究因素可以外部施加，也可本身具有；研究因素可以外部施加，也可本身具有；确立和区分研究因素与非研究因素确立和区分研究因素与非研究因素(混杂混杂)；研究因素的标准化；研究因素的标准化；确定因素的水平和因素的个数。确定因素的水平和因素的个数。（因素所处的不同等级或状态）（因素所处的不同等级或状态）受试对象（研究对象）受试对象（研究对象）研究对象研究对象 人、动物、微生物和寄生虫及一部人、动物、微生物和寄生虫及一部分（正常、病理）分（正常、病理）;制定纳入标准与排除标准制定纳入标准与排除标准动物试验动物试验 同质、敏感、反应稳定、来源容易同质、敏感、反应稳定、来源容易人体试验（病例选择）人体试验（病例选择）诊断明确，分型、分期，诊断明确，分型、分期，年龄、性别、民族等，服药史，依从性（门诊年龄、性别、民族等，服药史，依从性（门诊与病房病例）与病房病例）实验效应（观察指标）实验效应（观察指标）实验效应是研究因素作用于受试对象的客观反实验效应是研究因素作用于受试对象的客观反应与结果，通过观察指标来表达；应与结果，通过观察指标来表达；指标的针对性指标的针对性 与研究问题有本质联系，指标的客观性指标的客观性 主观指标与客观指标指标的灵敏性指标的灵敏性 指标对研究因素的反应指标的精确性指标的精确性 准确性与精密性定量指标定量指标 定量指标和定性指标定性与主观指标的处理技术定性与主观指标的处理技术第二节第二节 实验设计的三个基本原则实验设计的三个基本原则实验设计的思想实验设计的思想 非比较研究思想非比较研究思想 传统比较研究思想传统比较研究思想 现现代比较研究思想代比较研究思想实验设计的基本原理实验设计的基本原理实验设计的三个基本原则实验设计的三个基本原则重复原则重复原则随机化原则随机化原则对照原则对照原则 实验设计原理实验设计原理空白对照空白对照 实验组实验组 T+F1 Et+Ef1 对照组对照组 0+F2 0+Ef2 标准对照标准对照 实验组 T1+F1 Et1+Ef1 对照组 T2+F2 Et2+Ef2 v 研究设计中只有当研究设计中只有当F F1 1=F=F2 2时，研究因素的效应时，研究因素的效应才能识别，才能识别，F F1 1=F=F2 2表示比较各组间在主要的非研表示比较各组间在主要的非研究因素上均应相等或相近究因素上均应相等或相近实验设计的三个基本原则实验设计的三个基本原则 重复原则重复原则 对照原则对照原则 随机化原随机化原则则 对照原则（一）对照原则（一）对照的意义对照的意义 没有对照，没有比较，没有鉴别；没有对照，没有比较，没有鉴别；设立合理的对照组设立合理的对照组 1 1、鉴别处理因素与非处理因素的作用、鉴别处理因素与非处理因素的作用 2 2、控制和减少试验误差、控制和减少试验误差 3 3、对比作用与实验条件监控作用、对比作用与实验条件监控作用合理对照的原则合理对照的原则：各组例数相等：各组例数相等 各组间均衡可比各组间均衡可比组间均衡性（齐同可比性）组间均衡性（齐同可比性）1 1、什么叫组间均衡性、什么叫组间均衡性对照原则（二）对照原则（二）组间均衡性组间均衡性：比较各组间除研究因素外，对试验有影响的非研究因素和试验条件均应相同或相近。2、在研究设计和试验过程中应从下列四个方面考虑组间均衡性：(1)研究对象性质相同 (2)试验条件要一致 实验环境 仪器 试剂 (3)研究者或操作者要一致 交叉 随机分配对照原则（三）对照原则（三）(4)(4)时间或试验次序要一致时间或试验次序要一致 同时交叉进行同时交叉进行 3 3、实现均衡可比的手段或方法：、实现均衡可比的手段或方法：(1)(1)随机化随机化 研究对象、操作者、试验次序研究对象、操作者、试验次序 要要随机分配随机分配 (2)(2)配对与分层配对与分层 配对、配伍组设计、分层随机配对、配伍组设计、分层随机 (3)(3)双盲双盲 盲法的意义和概念盲法的意义和概念 单盲单盲 双盲双盲 安慰安慰剂剂 揭盲揭盲 (4)(4)交叉均衡交叉均衡对照原则（四）对照原则（四）4、组间均衡性测定（检验）组间均衡性测定（检验）是指在获得资料后通过主要非处理因素（混杂因素）进行组间假设检验以考察各比较组间的均衡可比性。均衡性检验方法：首先要考察样本例数，再对各项混杂因素在组间分布或构成进行检验，数值变量既要检验平均水平又要检验离散趋势，分类资料检验其构成。对照原则（五）对照原则（五）不均衡的处理：应用多因素统计方法对不均衡因素进行调整基础上再进行组间比较。（混杂因素两段调整）例例：在对某滴眼液治疗角膜炎的在对某滴眼液治疗角膜炎的期临床试期临床试验中需对验中需对“就诊时已发病天数就诊时已发病天数”进行均衡性检进行均衡性检验。验。试验组试验组 对照组对照组 P P值值 均均 数数 3.77 6.70 0.053.77 6.70 0.05 标准差标准差 5.67 57.66 0.015.67 57.66 0.01对照原则（六）：对照原则（六）：对照种类对照种类空白对照空白对照 对照组不施加任何处理措施对照组不施加任何处理措施标准对照标准对照 公认有效的药物、现有的标准方法公认有效的药物、现有的标准方法或常规方法或常规方法相互对照相互对照 各比较组互为对照各比较组互为对照实验对照实验对照 在对实验组实施处理因素时必须伴在对实验组实施处理因素时必须伴随一个对试验有影响的因素，此因素称为实验随一个对试验有影响的因素，此因素称为实验因素，对照组必须施加实验因素。举例说明因素，对照组必须施加实验因素。举例说明对照原则（七）：对照原则（七）：对照种类对照种类自身对照自身对照 对照与实验措施在同一实验对象身对照与实验措施在同一实验对象身上实施上实施安慰剂对照安慰剂对照 对照组施加安慰剂对照组施加安慰剂阳性对照阳性对照 采用已肯定疗效的药物为对照，如采用已肯定疗效的药物为对照，如标准对照、弱阳性对照标准对照、弱阳性对照阴性对照阴性对照 不含研究中处理因素的对照，如空不含研究中处理因素的对照，如空白对照、安慰剂对照、（实验对照）白对照、安慰剂对照、（实验对照）历史对照历史对照 不能实验研究中的对照不能实验研究中的对照 随机化原则随机化原则u保证各组间均衡可比的重要手段保证各组间均衡可比的重要手段u在实验研究中，研究对象有同等的可能被分到在实验研究中，研究对象有同等的可能被分到比较各组中去比较各组中去u在调查研究中，总体中每个个体有同等的可能在调查研究中，总体中每个个体有同等的可能被抽到样本中来被抽到样本中来u随机数字表、随机排列表和计算机产生的随机随机数字表、随机排列表和计算机产生的随机数数重复原则（样本含量）重复原则（样本含量）意义意义 样本含量少，抽样误差大，样本含量大，样本含量少，抽样误差大，样本含量大，非抽样误差也可能大；组间均衡性、实验结果非抽样误差也可能大；组间均衡性、实验结果的可靠性和重现性；的可靠性和重现性；概念概念 保证研究结论具有一定可靠性的前提条保证研究结论具有一定可靠性的前提条件下，所确定的最少样本含量；件下，所确定的最少样本含量；考虑因素考虑因素应用范围与人力、物力和财力；应用范围与人力、物力和财力；方法方法 查表法或计算法查表法或计算法前提条件前提条件 允许误差、允许误差、总体变异、资、总体变异、资料类型与设计类型。料类型与设计类型。第三节第三节 样本大小的估计样本大小的估计样本大小估计的前提条件（决定参数）样本大小估计的前提条件（决定参数）允许误差：研究者提出的希望发现或允许控制的样本与总体或两样本间差别大小;如=|X1-X2|,=|X-|,=|p-|;和 大小已知或单双侧、设计类型、指标类型样本大小的估计方法样本大小的估计方法凭经验估计（约定俗成）凭经验估计（约定俗成）正常值范围估计（正常值范围估计（100 100 人以上）人以上）肿瘤调查（万人以上，几千人）肿瘤调查（万人以上，几千人）人口普查（人口普查（10%10%，5%5%）查表法（本教材中未给出）查表法（本教材中未给出）尝试法（估计法）尝试法（估计法）常用的样本大小估计方法常用的样本大小估计方法 两样本均数比较两样本均数比较公式 完全随机设计、两组、数值变量 可取单侧或双侧，一般取0.05;只取单侧，一般取0.10，最大取0.20，s 取s1和s2中大者，t和t的取值与n有关，不能直接估计n。用u和u代替 t和t，其结果再加23例即可。常用的样本大小的估计方法常用的样本大小的估计方法 配对设计与交叉试验配对设计与交叉试验l公式公式 其中=，S=Sd,和的取值同上，这里的n为对子数。t和t的取值与n有关，不能直接估计。常用的样本大小的估计方法常用的样本大小的估计方法 样本均数与总体均数比较样本均数与总体均数比较公式公式 其中=|-|,=S,和的取值同上,t和t的取值与n有关，不能直接估计n大小。常用的样本大小的估计方法常用的样本大小的估计方法 多个独立样多个独立样本均数比较本均数比较l完全随机设计 多组 计量资料N为样本量,k为组数,分别为各组样本均数与标准差,值根据,1,2查表确定.常用的样本大小的估计方法常用的样本大小的估计方法 两样本率的比较两样本率的比较公式公式 完全随机设计、两组、两分类完全随机设计、两组、两分类c为合并率0.30.7度单位弧度作单位常用的样本大小的估计方法常用的样本大小的估计方法 配对分类资料配对分类资料l公式公式 配对设计、两分类配对设计、两分类 甲 法乙法合 计+a b c d合计 a+c b+d na+b c+d常用的样本大小的估计方法常用的样本大小的估计方法 抽样调查抽样调查l估计总体均数的样本大小估计总体均数的样本大小 取单双侧，一般取0.05，=S，=|-|。l估计总体率的样本大小估计总体率的样本大小 =p，=|p-|样本大小的估计样本大小的估计偿试法各种研究设计下估计公式的作用偿试法各种研究设计下估计公式的作用估计样本含量大小利用各个公式可以计算相应各种研究的设计效率，即计算 （1-）大小第四节常见研究设计类型（第四节常见研究设计类型（1）完全随机设计完全随机设计配对设计配对设计配伍组设计配伍组设计交叉试验设计交叉试验设计析因试验设计析因试验设计正交试验设计正交试验设计第四节常见研究设计类型（第四节常见研究设计类型（2）横断面研究设计横断面研究设计病例对照研究设计病例对照研究设计前瞻性研究设计前瞻性研究设计医学随访研究设计医学随访研究设计医学诊断试验设计与评价医学诊断试验设计与评价完全随机试验设计（完全随机试验设计（1）1 1、设计方法、设计方法 确定研究因素与水平确定研究因素与水平(单因素两组或多单因素两组或多 组）组）确定研究对象（入选与排除标准）确定研究对象（入选与排除标准）将研究对象随机分到各组，或从不同将研究对象随机分到各组，或从不同 的总体中随机抽取样本进行比较的总体中随机抽取样本进行比较 试验或测定试验或测定完全随机试验设计（完全随机试验设计（2）2 2、随机化分组、随机化分组3 3、优缺点：、优缺点：(1)(1)设计与分析简单设计与分析简单,易于实施；易于实施；(2)(2)只能安排单因素；只能安排单因素；(3)(3)随机误差相对较大；随机误差相对较大；(4)(4)个体变异较大，有些混杂因素难以控制或需个体变异较大，有些混杂因素难以控制或需要探索时，可采用分层随机设计要探索时，可采用分层随机设计完全随机试验设计（完全随机试验设计（3）v随机化分组例：试将18个病人随机分成3组 编号号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 抄随机数抄随机数 8 6 13 5 12 1 4 3 9 2 17 14 11 7 16 15 10 0 所属所属组别 B B C A C A A A B A C C B B C C B A A组 4 6 7 8 10 18 B组 1 2 9 13 14 17 C组 3 5 11 12 15 16 完全随机试验设计（完全随机试验设计（4）预选对象实验组对照组随机化受 试 者按纳入标准完全随机试验设计（完全随机试验设计（5）实验组对照组实验组实验组第一层第二层受试者预选对象按纳入标准按特征分层随机化随机化配对试验设计（配对试验设计（1）1 1、设计方法、设计方法 确定一个因素和两个水平确定一个因素和两个水平(实验组与对实验组与对 照组）照组）确定研究对象和配对条件，将对象按配对条确定研究对象和配对条件，将对象按配对条件相同的原则配成对子件相同的原则配成对子 随机将每对对象分到两组中去随机将每对对象分到两组中去 一个试验由若干对组成一个试验由若干对组成(5)(5)配对条件配对条件 ：主要非处理因素（研究对象的特：主要非处理因素（研究对象的特征、实验环境或条件），动物试验中条件可严征、实验环境或条件），动物试验中条件可严些，临床上条件不可过多些，临床上条件不可过多配对试验设计（配对试验设计（2）(6)(6)配对设计变型配对设计变型 治疗前后的比较，同一批标治疗前后的比较，同一批标本分别用两种方法检测，同一批病人分别用两本分别用两种方法检测，同一批病人分别用两种方法诊断，局部试验中人体左右侧的对比；种方法诊断，局部试验中人体左右侧的对比；2 2、随机分组、随机分组 3 3、优缺点、优缺点 (1)(1)组间可比性好，节省样本大小，组间可比性好，节省样本大小，试验效率高；试验效率高；(2)(2)对研究对象有一定的要求，临床上有一定难对研究对象有一定的要求，临床上有一定难度度随机区组（配伍组）设计（随机区组（配伍组）设计（1）1 1、设计方法、设计方法 (1)确定研究因素和水平（多个处理组）；(2)确定研究对象和匹配条件，将研究对象按匹配条件一致的原则配成区组（配伍组）；(3)每一区组内的个体随机分到各处理组；(4)一个试验由若干个区组组成。随机区组（配伍组）设计（随机区组（配伍组）设计（2）(5)区组的定义：实验条件相同，实验对象性质相近的组称为区组（配伍组）。(6)随机区组设计的三个条件：a 一个试验由若干个区组组成 b 区组内研究对象的个数等于处理组数 c 区组内对象随机分到各处理组(7)随机区组设计的变型：治疗前后不同时间的比较，同一批样品不同方法或不同实验室检测进行比较。随机区组（配伍组）设计（随机区组（配伍组）设计（3）2 2、随机化分组、随机化分组 (例例)已按动物特征配成已按动物特征配成6 6区组区组,每个区组每个区组4 4个体个体,现进行随机化分组。现进行随机化分组。动物编号动物编号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 121 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12随机数字随机数字 1 4 3 2 1 2 4 3 2 1 4 31 4 3 2 1 2 4 3 2 1 4 3处处 理理 组组 a d c b a b d c b a d ca d c b a b d c b a d c 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 2413 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 3 2 4 1 3 2 1 4 3 2 1 4 3 2 4 1 3 2 1 4 3 2 1 4 c b d a c b a d c b a d c b d a c b a d c b a d随机区组（配伍组）设计（随机区组（配伍组）设计（4）3 3、优缺点、优缺点 (1)(1)可安排一个因素，也可安排两个因素；可安排一个因素，也可安排两个因素；(2)(2)误差小、均衡性好、节省样本含量，统计误差小、均衡性好、节省样本含量，统计效率高；效率高；(3)(3)不能分析交互作用不能分析交互作用 (4)(4)区组内的对象在试验中易发生意外，影响区组内的对象在试验中易发生意外，影响整个试验。整个试验。交叉试验设计（交叉试验设计（1）1 1、设计方法设计方法 将将A A、B B两种处理（因素的水平）先后施于同两种处理（因素的水平）先后施于同一批对象，随机地使一半对象先接受一批对象，随机地使一半对象先接受A A处理，处理，后接受后接受B B处理，另一半先接受处理，另一半先接受B B处理后接受处理后接受A A处处理，两种处理在全部试验过程中交叉进行理，两种处理在全部试验过程中交叉进行，所所以称为交叉试验设计。设计步骤为以称为交叉试验设计。设计步骤为：研究者提出比较的两种研究者提出比较的两种A A、B B处理；处理；选取同质性好的研究对象，按配对设选取同质性好的研究对象，按配对设交叉试验设计（交叉试验设计（2）计方法配成对子，或随机地分成实验组与对照计方法配成对子，或随机地分成实验组与对照组；组；随机确定每对中一个对象的试验顺序随机确定每对中一个对象的试验顺序A BA B，另一个为，另一个为B A B A，或随机确定实验组与对照，或随机确定实验组与对照组中一组的试验顺序为组中一组的试验顺序为A BA B，另一组为，另一组为B AB A；按下列过程进行试验按下列过程进行试验交叉试验设计交叉试验设计 对子对子 1 A1 A处理处理 B B处理处理 对子对子 2 B2 B处理处理 A A处理处理 洗脱洗脱 洗脱洗脱 第一组第一组 A A处理处理 B B处理处理 第二组第二组 B B处理处理 A A处理处理 洗脱期洗脱期 第一阶段第一阶段 洗脱期洗脱期 第二阶段第二阶段交叉试验设计（交叉试验设计（4）优缺点优缺点消除了试验顺序的影响；消除了试验顺序的影响；T节省样本，控制条件，实验效率高；节省样本，控制条件，实验效率高；T对两种处理的效应作出精细估计与比较；对两种处理的效应作出精细估计与比较；T可以分析比较处理间（组间比较和病人内的比可以分析比较处理间（组间比较和病人内的比较）、病人间和先后顺序间的差异；（方差分较）、病人间和先后顺序间的差异；（方差分析）析）T两次观察时间不能过长，处理不能有持久效应；两次观察时间不能过长，处理不能有持久效应；T不能分析因素间的交互作用；不能分析因素间的交互作用；交叉试验设计（交叉试验设计（5）应用范围应用范围T应用于间断性发作或反复发作的疾病；应用于间断性发作或反复发作的疾病；T应用于药物或某些疗法治疗慢性病（高血压、应用于药物或某些疗法治疗慢性病（高血压、类风湿性关节炎、肿瘤）症状和体征的缓解或类风湿性关节炎、肿瘤）症状和体征的缓解或减轻；减轻；T应用于药物制剂的生物等效性研究应用于药物制剂的生物等效性研究T应用临床研究的旱期阶段。应用临床研究的旱期阶段。析因试验设计（概念）析因试验设计（概念）1、问题提出 (1)多因素、因素间交互作用多因素、因素间交互作用 (2)交互作用概念：例.两种治高血压新药 因素B 因素A A1水平 A2水平 B1水平 4 6 2 B2水平 8 10 2 4 4析因试验设计（概念）析因试验设计（概念）A1 A2 A2-A1 B1 4 6 2 B2 8 16 8B2-B1 4 10 A1 A2 A2-A1 B1 8 12 4 B2 16 10 -6B2-B1 8 -2协同作用拮抗作用析因试验设计（概念）析因试验设计（概念）若一个试验中有两个因素（若一个试验中有两个因素（A A和和B B），当），当A A因素因素取不同水平时可使取不同水平时可使B B因素的效应发生改变，反因素的效应发生改变，反之，之，B B因素取不同水平时也可使因素取不同水平时也可使A A因素的效应因素的效应发生改变，则称发生改变，则称A A因素和因素和B B因素间有交互作用。因素间有交互作用。两因素间的交互作用称为一阶交互作用，三因两因素间的交互作用称为一阶交互作用，三因素及以上因素间的交互作用称为二阶或高阶交素及以上因素间的交互作用称为二阶或高阶交互作用。互作用。析因试验设计（概念）析因试验设计（概念）2、析因试验设计的概念 (1)析因试验设计方法是将每个因素的所有水平互相交叉组合在一起形成总的处理组(比较组)。因素B 因素A A1水平 A2水平 B1水平 a1b1 a2b1 B2水平 a1b2 a2b2析因试验设计（概念）析因试验设计（概念）(2)处理组数处理组数=水平数水平数因素数因素数 例1.2个因素,每个因素3个水平 32=9 例2.3个因素,每个因素3个水平 33=27 例例3.23.22 23=123=12 (3)(3)处理或处理组的概念处理或处理组的概念 单因素试验中，处理代表因素的水平 多因素试验中，处理表示因素水平组合析因试验设计（设计步骤）析因试验设计（设计步骤）1、确立试验的因素与水平 例：某医院研究A、B两种物药对子宫的收缩作用，以大白鼠为研究对象，并考滤鼠内激素水平对收缩作用的影响，试作析因试验设计。考察因素为A药、B药和激素水平（C因素）3个，每个因素假设均为两个水平，试作析因试验设计。析因试验设计（设计步骤）析因试验设计（设计步骤）2、确定试验总处理组数、确定试验总处理组数 2 23 3=8=8 3 3因素因素2 2水平交叉形成处理组水平交叉形成处理组 处理组别处理组别 试验条件试验条件 A A药药 B B药药 激素水平激素水平 1 A1 B1 C1 2 A2 B1 C1 3 A1 B2 C1 4 A2 B2 C1 5 A1 B1 C2 6 A2 B1 C2 7 A1 B2 C2 8 A2 B2 C2 析因试验设计（设计步骤）析因试验设计（设计步骤）上例C因素为内在因素，处理组设置时通过选取不同水平的对象来实现3、确立各处理组的样本含量与研究对象的分配方法 完全随机设计与配伍组设计的分配方法或其他方法 4、试验 5、统计分析方法 方差分析析因试验设计（优缺点）析因试验设计（优缺点）可分析与比较多个因素的效应及相互间的交互作用；从各因素的全搭配中挑选出最佳试验条件（治疗方案）或最优试验条件的方向；每个因素的效应是在其他因素变动条件下进行试验，结论较为可靠；对因素间交互作用分析较为完全，但当因素与水平过多,组数相当大,分析困难，故一般多用简单的析因试验。系统分组系统分组(嵌套嵌套)试验设计试验设计l问题提出:析因试验设计是将各因素各水平交叉分组全搭配形成各处理组.因素B 因素A A1水平 A2水平 B1水平 a1b1 a2b1 B2水平 a1b2 a2b2系统分组系统分组(嵌套嵌套)试验设计试验设计l问题l1.一个因素的各水平间,另一个因素的水平数与水平值不同,或者说因素的水平是随机的;2.各因素间本身有隶属关系例1 研究某种中草药提取的有效成份黄酮的含量,探讨有无地域差别和取材部位的差别,此药来源于三个不同地区,取材部分来自根、茎、叶，试作实验设计地区地区1地区2地区3根茎叶根茎根茎叶细胞细胞1细胞2细胞3机器1机器2机器1机器2机器1机器2例 2 现有三种细胞，对于每一种细胞，从功能相近的18个机器中随机选择两个，作为机器1与2，对于每个细胞，机器1与2是不同的，构成如下设计图，机器嵌套在细胞内 例3 为了试验某种抗菌药，对小白鼠进行试验。对一批小白鼠没有注射抗菌药（A1），另一批注射了抗菌药（A2），然后让它们被某种细菌感染，看成活率有无明显的不同。统计成活率时按小鼠性别分别统计。然后让活的小白鼠分别在A1和A2内部交配得第一代B1、第二代B2和第三代B3，按性别统计成活率（）。得到试验结果如下：嵌套试验设计嵌套试验设计 概念与设计步骤概念与设计步骤l嵌套设计的处理组不是按各因素各水平的交叉全面组合，而是各因素按其隶属关系进行系统分组，先按A因素的p个水平分成p组，然后在不同的水平（组）再按B因素水平来分组，B因素的水平随A因素的水平不同而不同，按A、B因素水平分组后，再按C因素分组，依此类推。嵌套试验设计嵌套试验设计 概念与设计步骤概念与设计步骤1、确定研究因素与水平；2、根据专业构建嵌套结构，确定处理组嵌套试验设计嵌套试验设计 概念与设计步骤概念与设计步骤3、确定研究对象，对象可以随机分配，有时不能随机分配；4、确定各处理组重复数（样本量），至少每一个处理组重复数在2以上；5、试验或实验6、数据分析，用嵌套设计的方差分析裂区试验设计（概念）裂区试验设计（概念）l裂区设计(split-plot design)可以是析因设计的特殊形式，也可以多个完全随机主设计、随机区组设计组合。最早用于农业，在田间试验中，首先将田块分几个大区，再将每一大区分为若干小区。在大区水平上上施加处理因素A，在小区水平上施加处理因素B。假如A有 2个水平：a1、a2，B有3个水平：bl、b2、b3，就可将试验田块分为 2个大区，分别配置 a1、a2。将每个大区划分为三个小区，配置bl、b2、b3。这种设计框架如下：裂区试验设计（概念）裂区试验设计（概念）推广到一般形式，这里大区称为一级实验单位，小区称二级实验单位。作用于一级实验单位的因素为A因素，作用于二级实验单位的因素为B因素。根据一级实验单位是否可形成区组，这种设计又可分为完全随机裂区设计和随机区组裂区设计。裂区试验设计（概念）裂区试验设计（概念）l从变异的角度分析，在这种设计中，因素从变异的角度分析，在这种设计中，因素B B的的变异性要小于因素变异性要小于因素A A的变异性，因为因素的变异性，因为因素A A只是只是在一级实验单位实施的，没有重复。故在配置在一级实验单位实施的，没有重复。故在配置因素时，应将主要因素作为因素时，应将主要因素作为B B，配置在二级实，配置在二级实验单位上，而重要性相对小一点的因素作为验单位上，而重要性相对小一点的因素作为A A，配置在一级实验单位上。，配置在一级实验单位上。l裂区设计与析因设计差别在于析因设计的各因裂区设计与析因设计差别在于析因设计的各因素交叉分组形成的处理全部作用于同一级别的素交叉分组形成的处理全部作用于同一级别的实验单位，而裂区设计的因素分别作用于不同实验单位，而裂区设计的因素分别作用于不同级别的实验单位。级别的实验单位。裂区试验设计（概念）裂区试验设计（概念）l裂区设计与后述的嵌套设计的区别在于嵌套设计并没有将实验对象分成一级和二级实验单位，而是将因素分成一级和二级处理因素，并且二级因素的水平随一级因素的水平改变而改变。裂区设计的B因素水平不随A因素的水平改变而改变。将10只家兔随机等分两组，一组注射抗毒素，一组注射生理盐水作为对照。分组后，每只家兔取甲、乙两部位，分别注射低浓度毒素和高浓度毒素，观察指标为皮肤受损范围直径，结果如表7-7所示 A因素因素瘤株瘤株因素因素B浓度浓度 区 组因素A瘤株瘤株因素B浓度浓度 区 组123123s18000.800.760.36EC00.310.550.320.0300.360.260.310.0300.200.150.200.0500.170.280.160.0500.380.180.260.0750.280.130.110.0750.250.210.14HS00.740.430.57ARS00.480.570.330.0300.500.460.320.0300.180.300.290.0500.420.200.200.0500.440.270.270.0750.360.260.320.0750.220.300.37研究蛇毒的抑瘤作用，用四种瘤株接种小白鼠，再用四种浓度的蛇毒注射小白鼠，先将48只小白鼠分为三个区组，每个区组16个，再分成四个次区组，实验设计方案如下：裂区试验设计（设计步骤）裂区试验设计（设计步骤）l确定研究因素与水平，并确定一级因素与二级因素；l将因素的各水平交叉分组形成各处理组（类同于析因设计）；l确定研究对象，并确定研究对象的分配方案完全随机裂区设计与随机区组裂区设计；l实验或试验；l数据分析裂区设计的方差分析正交试验设计（基本概念）正交试验设计（基本概念）问题提出问题提出 因素与水平较多时因素与水平较多时 4 44 4=256=256 可否利用一部分因素水平的搭配试验，勿略高可否利用一部分因素水平的搭配试验，勿略高阶交互作用，又不降低试验效率阶交互作用，又不降低试验效率正交设计的概念正交设计的概念：正交试验设计是利用已经设正交试验设计是利用已经设计好的正交表对多因素进行设计、试验和分析，计好的正交表对多因素进行设计、试验和分析，其原理是根据各因素间的相互关系，从各因素其原理是根据各因素间的相互关系，从各因素各水平的全搭配中挑选若干必不可少的搭配进各水平的全搭配中挑选若干必不可少的搭配进行试验，从而大大减少处理组数与试验次数。行试验，从而大大减少处理组数与试验次数。正交试验设计（基本概念）正交试验设计（基本概念）v正交表正交表 正交表的表示为：L Ln n(k(km m)n,m,k=1,2,3,)n,m,k=1,2,3,其中L表示正交表，n表示试验次数，k表示因素的水平数，m表示列数（最多允许安排的因素个数和交互作用项个数），常见的正交表有：L4(23),L8(27),L16(215),L32(231),L9(34),L18(37),L27(313),L16(45),L25(56),L15(4229)等。表4.3 L9（34）正交表 试验号 1 2 3 4 1 1 1 1 1 2 1 2 2 2 3 1 3 3 3 4 2 1 2 3 5 2 2 3 1 6 2 3 1 2 7 3 1 3 2 8 3 2 1 3 9 3 3 2 1正交试验设计（基本概念）正交试验设计（基本概念）正交表的性质正交表的性质表中每一列中出现各种数字的次数相同；对任意两列，将同一横行的两个数字组成有序数对，那么每种数对出现的次数相同；在比较分析某一因素的各水平时其他因素是在同等条件下。正交试验设计（方法和步骤）正交试验设计（方法和步骤）例例 为了研究磁疗对烫伤治疗的消肿作用，某研究所为了研究磁疗对烫伤治疗的消肿作用，某研究所对白鼠进行试验，选取磁场强度（对白鼠进行试验，选取磁场强度（A A），磁疗时间），磁疗时间（B B）和振动（）和振动（C C）三个因素，各因素均取）三个因素，各因素均取3 3个水平，个水平，试用正交表安排试验，以考察各因素的效应，并选取试用正交表安排试验，以考察各因素的效应，并选取最佳消肿效果的条件。最佳消肿效果的条件。表表4.4 4.4 影响磁疗效果的因素和水平影响磁疗效果的因素和水平 磁场强度（高斯）磁场强度（高斯）磁疗时间（分）磁疗时间（分）振动（级）振动（级）水平水平 （A A）（B B）C C）1 800 90 11 800 90 1 2 850 120 2 2 850 120 2 3 900 150 3 3 900 150 3正交试验设计（方法和步骤）正交试验设计（方法和步骤）(1)确定要考察的因素、水平和因素间交互作用；确定要考察的因素、水平和因素间交互作用；根据研究目的确定研究因素，根据因素特性确定水平（可以相等 也可不等），交互作用一般最多只考察一级(2)选取恰当的正交表；选取恰当的正交表；首先根据水平数（首先根据水平数（k）选取正交表（多个），）选取正交表（多个），本例为本例为L9(34),L18(37),L2