实验方案设计 （ Design of Experiment) 教师：刘辉 生物科学系

The Blind Man and the Elephant Experimentation The Blind Man and the Elephant What we learn from an experiment may depend on where we look, how we look, and the scope of our view!

一、医学科研方法分类 二、实验设计的基本原则 三、实验设计的基本要素 五、常用的实验设计方法

一、生物医学科研方法分类 实验研究 Experiment 调查研究 Survey 生物医学科研方法分类

实验研究与调查研究的主要区别 实验研究与调查研究的主要区别 实验研究 调查研究 主动加以干预措施 未加任何干预措施

实验研究的分类 实验研究 a.基础实验 (basic experiment) b.临床试验 (clinical trial) c.现场试验 (field trial) 现场试验又称社区干预试验（community intervention trial)

一、实验设计的“三要素” 1） 实验对象 2） 实验因素 3） 实验效应

1） 实验对象 实验所用的材料即为实验对象。如用小鼠做实验，小鼠就是本次实验的实验对象，或称为受试对象。实验对象选择的合适与否直接关系到实验实施的难度，以及别人对实验新颖性和创新性的评价。一个完整的实验设计中所需实验材料的总数称为样本含量。最好根据特定的设计类型估计出较合适的样本含量。样本过大或过小都有弊端。

2） 实验因素 所有影响实验结果的条件都称为影响因素，实验研究的目的不同，对实验的要求也不同。影响因素有客观与主观，主要与次要因素之分。研究者希望通过研究设计进行有计划的安排，从而能够科学地考察其作用大小的因素称为实验因素（如药物的种类、剂量、浓度、作用时间等）；对评价实验因素作用大小有一定干扰性且研究者并不想考察的因素称为区组因素或称重要的非实验因素（如动物的窝别、体重等）；其他未加控制的许多因素的综合作用统称为实验误差。最好通过一些预实验，初步筛选实验因素并确定取哪些水平较合适，以免实验设计过于复杂，实验难以完成。

3） 实验效应。 实验因素取不同水平时在实验单位上所产生的反应称为实验效应。实验效应是反映实验因素作用强弱的标志，它必须通过具体的指标来体现。要结合专业知识，尽可能多地选用客观性强的指标，在仪器和试剂允许的条件下，应尽可能多选用特异性强、灵敏度高、准确可靠的客观指标。对一些半客观（比如读pH试纸上的数值）或主观指标（对一些定性指标的判断上），一定要事先规定读取数值的严格标准，只有这样才能准确地分析自己的实验结果，从而也大大提高了自己实验结果的可信度。

二、实验设计的“六原则” 1）随机原则 2）对照原则 3）重复原则 4） 平衡原则 5） 弹性原则 6） 最经济原则

1.随机原则 即运用“随机数字表”实现随机化；运用“随机排列表”实现随机化；运用计算机产生“伪随机数”实现随机化。 尽量运用统计学知识来设计自己的实验，减少外在因素和人为因素的干扰。

2）对照原则： 空白对照组的设立——只有通过对照的设立我们才能清楚地看出实验因素在当中所起的作用。当某些处理本身夹杂着重要的非处理因素时，还需设立仅含该非处理因素的实验组为实验对照组；历史或中外对照组的设立一一这种对照形式应慎用， 其对比的结果仅供参考，不能作为推理的依据；多种对照形式同时并存。

3）重复原则 所谓重复原则，就是在相同实验条件下必须做多次独立重复实验。一般认为重复5次以上的实验才具有较高的可信度。

4） 平衡原则： 一个实验设计方案的均衡性好坏，关系到实验研究的成败。应充分发挥具有各种知识结构和背景的人的作用， 群策群力，方可有效地提高实验设计方案的均衡性。在实验设计的过程中要注意时间上的分配，只有在时间上分配好了，才不会出现一段时间特别忙而一段时间特别闲的情况。

  5） 弹性原则 指的是在时间分配图上留有空缺。适当的空缺是非常必要的，只有这样才能富有弹性的实施实验计划，并不断地调整好自己的实验进度。

6） 最经济原则： 不论什么实验，都有它的最优选择方案，这包括在资金的使用上，也包括人力时间的损耗上，必要时可以预测一下自己实验的产出和投入的比值，这个比值越大越好，当然是以你所拥有的实验条件作基础的。

二、实验设计的基本原则 基本原则 随机化原则 对照原则 重复的原则

二、实验设计的基本原则 随机化的原则

随机化的意义、应用及方法 意义 应用 方法 提 高 组 间 均 衡 性 得 到 随 机 变 量 抽 样 分 确 定 实 验 顺 序 抽签法 随机数字表法 随机排列表法 其它法

二、实验设计的基本原则 对照的原则

对照的意义 排除或控制自然变化和非处理因素对观察结果的影响 消除或减少实验误差 找出综合因素中的主要有效因素 验证实验方法的可靠性 其它作用 修正实验数据 找出实验的最适条件 分析实验中的问题或差错原因

常见对照形式 安慰剂对照 实验对照 标准对照 自身对照 历史对照 潜在对照 空白对照 对照形式

二、实验设计的基本原则 重复的原则

重复的意义及样本含量的确定方法 意义 确定样本含量的方法 验证实验结果的真实可靠性 消除非处理因素影响的另一重要手段 重复程度表现为样本含量的大小和重复次数的多少 确定样本含量的方法 查表法 公式计算法

三、实验设计的基本要素 处理因素 受试对象 实验效应 基本要素

三、实验设计的基本要素 处理因素

处理因素的概念及注意事项 处理因素 注意以下几点 根据研究目的而施加的特定实验措施 抓住实验中的主要因素 分清处理因素和非处理因素 处理因素应当标准化，如处理因素是指药品，应确定药品 的名称、性质、成份、作用、用法，明确生产厂家、药品 批号、出厂日期及保存方法等。

三、实验设计的基本要素 受试对象

受试对象的概念及分类 分类 受试对象 接受实验的被研究对象。 微生物、寄生虫、细胞等：门、纲、目、科、属、群、株 动物：种属、品系、年龄、性别、窝别、毛色、体重、健康状况 微生物、寄生虫、细胞等：门、纲、目、科、属、群、株 病人 正常人 分类 人

受试对象的选入标准 选入标准应用条文明确规定，成为书面形式！ 纳入标准 Inclusion criteria 选入标准 Eligibility criteria 纳入标准 Inclusion criteria 排除标准 Exclusion criteria

三、实验设计的基本要素 实验效应

实验效应的概念及选择指标的要求 实验效应 选择指标的要求 主要指处理因素作用于实验对象的反应， 这种效应通过观察指标显示出来。 关联性 客观性 灵敏性 特异性 精确性 稳定性 准确度(accuracy) 精密度( precision)

例1 川芎嗪对新生大鼠缺氧 缺血性脑损伤的保护作用

研究目标和研究对象 研究目标 研究对象 通过对各实验组动物脑组织MDA、SOD、NO生化 指标的比较，进一步阐明氧自由基及NO损伤在新生 儿HIE的发病机制中的重要作用及川芎嗪抗新生儿 HIE的作用机制。 研究对象 江西医学院实验动物部提供7日龄SD新生大鼠，雌 雄各半。数量共40只

对照及分组情况 分组 按随机区组设计如下：假手术组、HI组、川芎嗪Ⅰ组 和川芎嗪Ⅱ组共四组，每窝4只鼠为一区组，共10窝，每窝 随机分配至各处理组。 分组 假手术组 HI组 川芎嗪Ⅰ组 川芎嗪Ⅱ组

假手术组 为对照组。只切开皮肤游离左颈总动脉，不 进行缺氧处理。于缺氧前30分钟腹腔注射等量生 理盐水。

HI组 结扎左颈总动脉，并缺氧2小时。于缺氧 前30分钟腹腔注射等量生理盐水。

川芎嗪Ⅰ组： 结扎左颈总动脉，并缺氧2小时。于缺氧前 30分钟腹腔注射川芎嗪注射液100mg/Kg。

川芎嗪Ⅱ组 于HI后即刻腹腔注射川芎嗪注射液100mg/Kg。

统计分析方法 采用随机区组实验设计方差分析及X2检验

四、误差和偏倚 误 差(error)

误差的概念及分类 误差(error) 泛指实测值与真值之差 随机误差 非随机误差 非系统误差 系统误差 误差的分类

四、误差和偏倚 偏 倚（bias）

偏倚的概念及种类 偏倚 种类 在实验过程中由于某些非实验因素的干扰 所形成的系统误差。 选择性偏倚（selection bias) 测量性偏倚（measurement bias) 混杂性偏倚（confounding bias)

选择性偏倚的概念及其防止措施 选择性偏倚 防止措施 由于纳入观察对象的方法不正确而产生的偏倚。 正确拟定观察对象的纳入和排除标准 采用分层抽样的方法 正确设立对照组 贯彻随机化原则

测量性偏倚的概念 测量性偏倚 在实验过程中对研究对象进行观察 或测量而造成的偏倚。

导致测量性偏倚常见因素 沾染(contamination) ：使差异缩小 干扰（co-intervention)：使差异扩大 依从(compliance)和非依从(noncompliance) 常 见 因 素 沾染(contamination) ：使差异缩小 干扰（co-intervention)：使差异扩大 失访：失访率＜20% 检查结果和诊断结果的不一致（disagreement) 可采用Kappa检验进行一致性判断 观察记录的失误 规定记录的方式、时间、记录本、 记录人员、定期检查可避免 心理因素的干扰

测量性偏倚的防止措施 盲法（blind method) 防止措施 单盲法 双盲法 三盲法 签订实验合同 检查实验对象的依从性情况 注意医德 定期检查研究记录 提高诊断一致性 严格实验设计和实验操作

混杂性偏倚的概念及其防止与控制措施 混杂性偏倚 防 止 与 控 制 措 施 在总结分析阶段，由于某些非实验因素与实验因素同时 并存的作用影响到观察结果，造成混杂性偏倚 防 止 与 控 制 措 施 严格实验设计，精选研究对象 贯彻随机原则 分层分析 多因素分析

六、常用的估计样本含量的方法 ①样本均数与总体均数比较（或配对比较）

例：用某药治疗矽肺患者，估计可增加尿的排出量，标准差89. 0mmol/L,要求以α=0. 05，β=0 例：用某药治疗矽肺患者，估计可增加尿的排出量，标准差89.0mmol/L,要求以α=0.05，β=0.10的概率，能够辨别出尿的排出量平均增加35.6mmol/L，需观察多少例矽肺患者？