實驗設計PPT課件

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實驗設計,1,在科學研究中，實施任何科研課題之前都要進行科研設計。具體實施方案就是實驗設計。實驗設計的好壞直接決定著科研的成敗。 在進行實驗設計時一定要做到科學、合理、嚴謹和高效，遵守實驗設計時的一些原則和要求。 進行實驗設計時，既要尊重其自身的學科特色，又必須嚴格遵守現代醫(yī)學實驗研究中的各項原則和要求。,2,（一）實驗設計的基本內容,實驗設計是醫(yī)學科研中的首要環(huán)節(jié)，一個完整的實驗設計主要應包括專業(yè)實驗設計和統(tǒng)計實驗設計兩方面內容。 專業(yè)實驗設計是為回答和解決科研課題假說，驗證實驗結果的實用性和獨創(chuàng)性而制定的具體實施過程的研究方案，是說明該項科研是否具有應用性和先進性的前提和基礎。專業(yè)實驗設計顯示了研究者對專業(yè)知識的把握能力，它直接影響著科研實驗的深度以及科研成果的成敗和大?。?統(tǒng)計實驗設計是為減少和消除誤差，保證樣本具有代表性和樣本間的可比性，確保實驗結果的精確性、可靠性和可重復性而制定的設計方案，它能夠提高效率，使較小量的實驗觀察提供大量的有效信息，從而獲得社會效益和經濟效益。統(tǒng)計實驗設計是研究者對統(tǒng)計知識的正確運用，它直接影響著科研實驗的質量。,3,實驗設計的具體內容應包括,①研究對象的選擇和設計 ②處理因素的設計 ③觀測指標的選擇和設計 ④誤差和條件控制的設計 ⑤對照和分組及其數量的設計 ⑥生物參數統(tǒng)計處理的設計等,4,失敗的實驗設計,會出現研究對象不敏感、不特異； 處理因素標準化差、干擾因素過多； 觀測指標主觀、片面； 樣本量不足、過多或不齊同，組間條件不均衡；對照不足或多余； 實驗誤差過多或過大； 未遵循隨機原則或隨機化較差；統(tǒng)計方法不合理等問題，從而導致實驗結果不可信，科研課題以失敗告終,5,（二）實驗設計的基本要素,處理因素 研究對象 實驗效應,6,1. 研究對象（受試對象）,醫(yī)學研究對象一般分為動物和人。選擇要求： ⑴ 研究對象種類的選擇 動物實驗可以進行任何對機體有害或可能有害以及需要進行離體組織器官檢測的研究， 人體試驗只能進行經動物實驗驗證，對人體無害或觀察指標對人體無損傷的臨床觀察或比較的醫(yī)學研究。 動物實驗和人體試驗有各自的優(yōu)缺點，他們不能互相取代，卻相輔相成。動物實驗一般用于探索性和機制性研究，而人體試驗則常用于驗證性和比較性研究。所以，因根據研究目的不同，選擇適當的研究對象種類。 實驗針灸學的研究對象既可以是人，也可以是動物。因實驗針灸學的研究內容主要是針灸的作用機理、影響針灸的作用因素和針灸的作用途徑等，研究時需要對各組織臟器，甚至細胞分子水平的變化進行深入細微的觀察，所以，實驗針灸學的研究手段往往是損傷性的，大多需要在動物身上進行實驗。但是，動物的經絡穴位并不等同于人類，因此，在對人體無損害的情況下，也需在人體上進行研究和驗證,7,⑵ 應選擇敏感、特異、穩(wěn)定且又經濟的研究對象 動物的種屬和品系不同，其功能結構和生理特性就不同，適合的研究范圍和目的也就不同。動物種屬和品系的不同直接影響著實驗結果。 例如：大鼠無膽囊，不能用于膽囊功能的研究，而豚鼠有膽囊，可進行相關實驗的研究； C57BL小鼠對腎上腺皮質激素的敏感性比DBA及BALB/C小鼠高12倍； 大鼠、小鼠性成熟早、繁殖周期短、產仔多，適合做胚胎、避孕藥物、雌激素的研究等； 豬的皮膚組織結構與人相似，宜做燒傷實驗研究。 猴、猩猩、狒狒、長臂猿等靈長類動物是最似人類的實驗動物，可以進行多學科多領域方面的實驗研究，但是價格昂貴、飼養(yǎng)困難，目前已很少使用，而大鼠、小鼠和兔的價格便宜又容易飼養(yǎng)而廣泛用于實驗研究中。,8,⑶ 應控制研究對象的入選條件，界定研究對象的入選范圍，排除干擾因素 研究對象的入選條件和范圍不同很大程度地影響實驗結果。 ①實驗動物的選擇除應考慮到動物的種屬和品系外，還應考慮到性別、年（或月）齡、體重及健康、營養(yǎng)狀況和飼養(yǎng)條件等，保證實驗效應的精確性。在實驗研究中，由于實驗動物不合格經常會導致實驗的失敗。 ②以人體為研究對象時，應考慮種族、性別、年齡、體重、生理、、遺傳、精神狀態(tài)、職業(yè)、生活條件、生活習慣、嗜好、社會因素等。如矽肺的產生與職業(yè)有關；而原發(fā)性高血壓的發(fā)病則可能與遺傳、生活習慣、精神等有關。 ③以患者為研究對象時，除應考慮上述一般情況外，還應考慮病種、病型、病程、病期、治療條件與護理條件等。這些影響因素必須很好地加以控制，使組間均衡化。在制定入選標準時，應明確診斷標準，必須有體征和一些檢查結果等客觀指標，最好使用國際或國內統(tǒng)一的病型（證）標準，越具體越好。 ④以離體器官、組織、細胞、體液、分泌物等為研究對象時，應注意取材來源、條件、部位、新鮮程度和保存、培養(yǎng)情況等。,9,2. 處理因素,也稱實驗因素或研究因素，是根據研究目的而施加于受試對象的某些外部特定因素及受試對象本身內在因素。 外部因素包括生物、物理、化學、社會因素；內在因素包括性別、年齡、民族、遺傳特性、心理因素等。,10,實驗設計中對處理因素的控制和安排，應注意以下幾個方面,⑴ 明確處理因素 處理因素由實驗的目而定，一個實驗中處理因素可以是一個或是幾個，一個實驗所涉及的處理因素盡量不宜太多，否則會使分組增多，受試對象例數增多，在實施中會增加控制誤差的難度。但若根據實驗目的必須進行多因素多水平實驗時，則必須考慮到多因素多水平之間的交互作用，根據因素及水平數目選擇恰當的實驗設計類型，以減少誤差，保證實驗結果的可靠性。另外，在實驗設計時，無論有幾個因素或水平，都必須保證各因素及水平的可控性。否則，實驗結果的可行度降低。,11,,⑵ 處理因素的標準化 處理因素在整個實驗過程中必須自始至終保持統(tǒng)一不變。在實驗設計時，就應通過查閱文獻或預實驗選擇最佳及穩(wěn)定的處理因素，明確處理因素的強度、頻率、持續(xù)時間及施加方法等，使之標準化。如進行針刺研究時，應對針具的型號、品牌，施針時間、強度、持續(xù)時間、手法以及施針者等加以明確統(tǒng)一的規(guī)定，不得隨意更改。,12,⑶ 控制非處理因素 在實驗過程中，除了確定的處理因素以外，凡能影響實驗結果的其他因素，統(tǒng)計學上稱為非處理因素。非處理因素雖不是研究因素，但會影響實驗結果，產生混雜效應。例如在研究治療高脂血癥的試驗中，非處理因素有年齡、性別等，不同年齡性別者，其治療效果不同，則會影響對治療手段療效的評價。所以，在實驗設計時，應明確哪些非處理因素會對實驗結果產生影響，并有意識地控制或消除它們。,13,,實驗針灸學的處理因素有其自身特色，必須包含針和（或）灸這兩個因素。這兩個因素下又有不同的水平。針刺時，可有不同穴位、組方、手法、施針時間、強度、持續(xù)時間、針具等水平；施灸時，可有不同穴位、組方、方法、施灸時間、壯數、間隔時間、持續(xù)時間、種類等水平。在實驗針灸學研究中，必須嚴格控制上述因素和水平，使實驗科學嚴謹。,14,3. 實驗效應,也稱效果反應，是指處理因素作用于研究對象而產生的各種反應和結果。 實驗效應能夠將實驗中的一些本質問題清晰而準確的反映出來。它是反映處理因素作用強弱的標志，它必須通過具體的觀測指標來體現。所以，觀測指標選擇的正確與否，直接關系到實驗研究的成敗。它是科研設計的一個重要環(huán)節(jié)。,15,觀測指標選擇應注意以下幾個方面,⑴ 指標的性質 指標按其性質可分為計量指標和計數指標、客觀指標和主觀指標。,16,計量指標是指能夠被檢測并以計量單位表示的指標，如身高、體重、血壓、血糖、血細胞計數等； 而無適當尺度可以測量，只能以“是與否”、“陰與陽”、“有效與無效”、“存活與死亡”或 “無效”、“好轉”、“顯效”、“痊愈”等分級表示的標準判斷，再分別清點其數目的指標，稱為計數指標。 計量指標更能清楚準確地反映事物的本質及其變化，所以在指標的設計上應盡量選擇計量指標。 客觀性指標是指通過儀器或某些特定程序測量而得到的各種數據資料； 主觀指標則是來自受試者或研究者主觀判斷的描述，易受心理狀態(tài)和暗示作用的影響，導致結果的偏倚。客觀指標能真實顯示實驗效應的大小或性質；排除人為因素的干擾。因此，在實驗設計上應盡量選擇客觀性指標。,17,,在實驗研究中，有些主觀指標是不可或缺的，它更能客觀地反映出處理因素的效應和實驗的意義；而有些指標來源雖是客觀的，但判斷卻受主觀影響，如X線片、B超、病理切片等。為了增強主觀指標的客觀性和減少客觀指標的主觀性，在實驗設計時，應對指標制定明確的判斷標準，使之更客觀化。,18,⑵ 指標的關聯性與特異性,實驗中選用的指標必須能夠確切反映處理因素的效應，也就是指標與研究目的之間應具有本質性聯系，這種聯系稱為指標的關聯性。 例如觀察針灸對高脂血癥的療效，就應選擇血清TC、TG、HDL和LDL這些與血脂水平高低直接相關的指標； 實驗中選擇的指標不僅能夠揭示事物的本質，最好還應不易受其他因素的干擾，避免假陽性的出現，這屬于指標的特異性。例如甲胎蛋白（AFP）的檢測可作為原發(fā)性肝癌的特異性的診斷指標；心電圖出現病理性Q波為診斷心肌梗塞的特異性指標。 指標的首選條件是必須與研究目的具有關聯性，然后是特異性。指標是否具有關聯性和特異性，充分反映了研究者的專業(yè)知識與技術水平。,19,⑶ 指標的靈敏性與穩(wěn)定性,指標的靈敏度是指觀測指標對處理因素作用的反應程度，通常是由能夠正確反映變化的最小數量級或水平來確定。 指標的穩(wěn)定性是指指標的變異程度和檢測時的受干擾程度。觀測指標的選擇既要有靈敏性，也要有穩(wěn)定性，這樣才能很好地顯示處理因素的效應，指標的靈敏性和穩(wěn)定性均受受試對象、檢測方法和儀器性能的影響。,20,⑷ 指標的精確性,精確性包含精密度與準確度雙重含義 精密度是值重復測定值與平均值之間的接近程度，顯示離散程度大小。說明隨機誤差的大小； 準確度是測定值與真實值之間的接近程度，也就是度量的正確性。主要受系統(tǒng)誤差的影響。 在選擇觀測指標時，首先應考慮準確度，然后要求精密度，既準確又精密最好。指標的精確性除與檢測方法、儀器性能、試劑及實驗條件有關外，還取決于研究者的技術水平及操作情況。,21,,在選擇指標時，一定要綜合上述幾點，做到合理恰當地選擇。不可一味地要求高、新、尖， 如指標不能很好地表現其與研究目的的關聯性，那么無論多么新奇尖端的指標，都不能體現出研究工作的水平及價值； 選擇指標時，也不能一味地求多，要主次分明，次要指標要少選或不選，以免造成研究目的不明確或浪費人力物力； 選擇指標時，也要考慮到其可行性，即是否具備觀測所選指標的實驗條件和技能。,22,（三）實驗設計的基本類型,實驗設計依據統(tǒng)計分析方法的不同主要分以下幾種類型： 1. 完全隨機化設計 2. 配對設計 3. 配伍組設計 4. 交叉設計,23,1. 完全隨機化設計,完全隨機設計亦稱單因素設計，是根據實驗要求將全部實驗動物隨機地分成若干組，然后再按組實施不同處理的設計。這種設計保證每只實驗動物都有相同機會接受任何一種處理，而不受實驗人員主觀傾向的影響。當實驗條件特別是實驗動物的初始條件相對一致時，可采用完全隨機設計。這種設計能使實驗結果受外界因素的影響基本一致，真實反映出實驗的處理效應。 完全隨機設計的實質是將實驗動物隨機分組。隨機分組的方法有抽簽法、隨機數字表法、電腦隨機分組法等。 完全隨機設計的主要優(yōu)點： ①設計容易。適用于實驗條件、環(huán)境、實驗動物差異較小的實驗。 ②統(tǒng)計分析簡單。均可采用t檢驗或方差分析法進行統(tǒng)計分析。 完全隨機設計的主要缺點： ①非實驗因素的影響被歸入實驗誤差，實驗誤差較大，實驗的精確性較低。 ②在實驗條件、環(huán)境、實驗動物差異較大時，不宜采用此種設計方法。,24,2. 配對設計,配對設計是將實驗對象配成對，每對中的不同個體施以不同處理。配對設計可對影響實驗的因素和條件加以控制，減少兩組間的誤差。配對設計關鍵在于對配對條件的選擇，動物實驗常將種屬、窩別、性別相同，年齡、體重相近的兩只動物配成對子。這種設計的優(yōu)點是能有效減少實驗誤差，使實驗組間的均衡性增大，提高實驗效率。缺點是在配對的挑選過程中容易損失樣本含量，延長實驗時間。,25,3. 配伍組設計,配伍組設計即隨機區(qū)組設計，是配對設計的擴大形式。配伍組設計是將受試對象按相同或相近的條件組成配伍組，每個配伍組包含多個受試對象，將其隨機地分配到多個處理組。每個配伍組中，受試對象的個數等于處理組的組數。 配伍組設計可使各處理組間受試對象的條件均衡，減小了誤差，使處理因素能在被試對象身上得到較符合實際的客觀反映，效率較高。,26,4. 交叉設計,將A、B兩種處理先后施加于同一批實驗對象，讓全部實驗對象中的一半接受處理的順序為“先A后B”，另一半接受處理的順序為“先B后A”，兩種處理在全部實驗過程中“交叉”進行，稱為交叉實驗。 交叉實驗平衡了實驗順序的影響，能將處理方法的差別與時間順序的差別進行比較分析，提高了實驗的精確性。 交叉設計要求受試對象的例數必為偶數，將條件近似的進行配對。在交叉實驗中，處理方式輪流更換，如果前一種處理有效應殘存，則實驗的精確性將大為降低。對于殘效不能消失的處理，例如帶有破壞性且不能恢復的實驗，不宜采用交叉設計。,27,,除以上實驗設計的幾種常用類型外，還有拉丁方設計、析因設計、正交設計、系統(tǒng)分組設計、序貫設計等實驗設計方法。每種實驗設計方法的選擇均要依照科學研究的目的和要求而定,28,（四）實驗設計的基本原則,1. 對照原則 2. 隨機原則 3. 重復原則 4. 盲法原則,29,1. 對照原則,對照原則是指在實驗中設立兩組非處理因素基本一致的受試對象，一組接受處理因素，一組不接受處理因素，進行觀察比較。從而鑒別處理因素與非處理因素之間的差異及處理因素的效應大小。不接受處理因素的稱為對照組，接受處理因素的稱為觀察組或實驗組。 對照原則是醫(yī)學科研中的一項基本要求。有無對照或對照正確與否直接關系到科研成果的可靠性和價值。 在實驗過程中，影響實驗結果的因素經常是不可預測或掌控的，無論實驗設計得多么嚴格，自然環(huán)境、實驗條件和生物個體的變異等都會或多或少地起著影響作用。如氣候、環(huán)境、營養(yǎng)、心理、情緒、社會因素等。另外，在臨床上有些疾病不經過治療病情即可緩解或自愈。所以，在研究中必須設立對照組，以明確處理因素的效應，減少或消除實驗誤差。 對照的形式有很多種，常用的有空白對照、實驗對照、相互對照、標準對照、自身對照、配對對照和歷史對照等。,30,空白對照 指不做任何實驗處理的對象組。 自身對照 指實驗與對照在同一對象上進行，即不另設對照組。處理前后現象變化的差異，實驗處理前的對象狀況為對照組。 條件對照 指雖給對象施以某種實驗處理，但這種處理是作為對照意義的，例如，“動物激素飼喂小動物”實驗： 甲組：飼喂甲狀腺激素（實驗組）； 乙組：飼喂甲狀腺抑制劑（甲硫咪唑）（條件對照組）； 丙組：不飼喂藥劑（空白對照組）。 通過比較、對照，更能充分說明實驗變量——甲狀腺激素能促進蚯蚓的生長發(fā)育。 相互對照 相互對照是指不單獨設對照組，而是幾個實驗組相互對比對照。例如， “驗證植物根對礦質離子有選擇吸收的特性”，可把番茄和水稻分別培養(yǎng)在成分相同的培養(yǎng)液中，過一段時間后，測定培養(yǎng)液中各種礦質元素離子濃度的變化，就會發(fā)現番茄吸收Ca多，吸收Si少；而水稻吸收Si多，吸收Ca少。以上就是兩個實驗組的相互對照。 標準對照 生物生理、生化的某些項目也都有相應的標準，將觀察測定的實驗數值與規(guī)定的標準值相比較，以確定其正常與否的對照方法。,31,2. 隨機原則,隨機原則是指在實驗分組中，使研究對象的每一個體都有同等機會從研究對象的總體中被抽取，并有同等機會被分入到任何一個組中。 常用的隨機化方法有抽簽或摸球法、隨機數字法、分層隨機分組法和隨機排列表法等。,32,,將12只大鼠隨機分入甲、乙兩組，每組6名。先把受試者按體重由小到大編號，然后從隨機數字表任意一處查出12個隨機數，遇到相同的隨機數則去掉。并將隨機數由小到大編，1～6者分入甲組，7～12者分入乙組,33,,,34,某企業(yè)要調查消費者對某產品的需求量，要從95戶居民家庭中抽選10戶居民碼表法抽選樣本。具體步驟如下： 　第一步：將95戶居民家庭編號，每一戶家庭一個編號，即01～95。（每戶居民編號為2數） 第二步：在上面的表中，隨機確定抽樣的起點和抽樣的順序。假定從第一行，第9列開始抽，抽樣順序從左往右抽。（橫的數列稱“行”，縱的數列稱為“列”） 第三步：依次抽出號碼分別是：86、36、96、47、36、61、46、98、63、71，共10個號碼。由于96、98兩個號碼不在總體編號范圍內，應排除在外。再補充兩個號碼：62、74。 由此產生10個樣本單位號碼為：86、36、47、36、61、46、63、71、62、74。 編號為這些號碼的居民家庭就是抽樣調查的對象。 實際生活中，這些隨機數表起著很大的作用，所以很多人會專門去尋找隨機數表產生器。,35,3. 重復原則,重復原則是指在相同實驗條件下獨立重復多次相同的實驗。對照組的設立和樣本的隨機化抽取和分配，雖能在很大程度上抵消了非處理因素所造成的偏差，但卻不能全部消除其影響。樣本數量少的一次性實驗結果，其可靠性往往不很高。而加大樣本數量，或重復進行相同的實驗，可減小或消除實驗結果的變異性，使其更能代表研究對象總體對處理因素效應的共性。但同時，也應考慮到實驗規(guī)模和成本，在保證實驗結果可靠的前提下，選擇具有統(tǒng)計學意義的適宜樣本量。,36,4. 盲法原則,盲法原則是指在實驗中為了消除來自研究人員、研究對象或資料分析人員的觀察性偏倚，而使他們中的一個、兩個或三個都不知道研究對象接受的是什么治療措施。盲法試驗能有效避免人為主觀因素對實驗結果的影響，使研究的結果更加真實可靠。盲法原則主要用于臨床研究。盲法可分為單盲、雙盲、三盲等。,37,（五）動物實驗研究基本特點,1. 可以進行對機體有害或可能有害的處理因素的研究 2. 嚴格控制實驗條件 3. 最大限度地獲取反映實驗效應的樣本 4. 利用實驗動物自身特性進行實驗研究 例如多數實驗動物傳代比人類快，可以培育基因型明確的純系或有各種遺傳缺陷的特殊品系，為遺傳、免疫、腫瘤等方面的研究提供了極大地方便，如裸鼠、高癌率鼠等。同時，不同種屬的動物，在生理解剖特征和對各種處理因素的反應上也各有其特性。所以，因熟悉和掌握實驗動物的種屬差異和特性，為選擇正確的研究對象作準備。 5. 實驗動物來源充分、經濟,38,（六）臨床試驗研究基本特點,1. 研究對象復雜 2. 醫(yī)德與倫理學問題 3. 臨床試驗屬于實驗性研究 4. 受試者的依從性差,39,