实验设计与统计分析20140124

第一篇 实验室研究的常用统计设计与方法 第一章 如何进行实验研究设计与统计分析

实验研究(experimental study)是在实验室以实验动物或生物样品为对象的研究，是将来自同一研究总体的对象进行随机分组后，分别给予不同处理措施，随访并比较不同组实验效应的差别及差别大小，从而评价处理措施效果的研究方法。比如在探讨圣地红景天对自发性高血压大鼠模型(SHR)血压影响的研究中，将雄性SHR作为实验对象，随机分为治疗组与对照组，分别予以圣地红景天500mg/(kg?d)或蒸馏水灌胃，共8周，实验前及结束时测量尾动脉收缩压(SBP)，通过SBP实验前后的动态变化说明圣地红景天对自发性高血压大鼠模型(SHR)血压的影响。由实验研究的过程不难发现，实验研究由处理因素(study factor, treatment)、实验对象(subject)和实验效应(experiment effect)三个要素组成。其中处理因素又称受试因素或研究因素，是研究者根据研究目的施加给受试对象的特定干预措施。实验对象是指处理因素作用的客体。而实验效应是在处理因素作用下，观察到的实验对象的反应或结局。

本章将以上述研究为例介绍如何进行实验研究的设计及应遵守的基本原则，以及获得了实验数据后如何进行统计分析。

第一节 实验效应与设计基本原则

圣地红景天对自发性高血压大鼠模型(SHR)血压影响的研究中，圣地红景天作用于自发性高血压大鼠模型后，通过SBP实验前后的变化说明圣地红景天对血压的影响。如何才能准确地反映处理因素的效应，并将所观察到的效应归因于是由于处理因素引起的，是研究者在实验设计时必须考虑的问题。

一、如何认识实验效应？

由于每个事件的发生都是生物学因素、研究对象特征、环境等多种因素综合作用的结果，体现了与其发生有关的各种内外环境因素的效应及其相互作用的特点，是影响因素的外在表现。实验研究中，研究者观察到的效应或结果也不例外，是包括处理因素在内的多因素共同作用下产生的综合效应，即：

观察效应(E)?处理因素的效应(T)?非处理因素的效应(N)

相对于处理因素，非处理因素指的是非本次研究所关注的、但也可能对实验效应产生影响的因素。非处理因素众多，大致包括如下几类：

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1. 受试对象的自身特征。如实验动物的性别、体质量、月龄、生理状态、遗传特性、代谢特点及自身的生长发育规律、疾病自身特点等，均可能从不同的方向影响效应的观察，使得不同对象对干预措施的反应和结局出现差异。

2. 施加干预措施时的伴随因素。如处理因素的施加方法、力度、频度和持续时间等。本研究中，给予大鼠干预措施的方式为灌胃，而灌胃可能对大鼠产生刺激作用和消化道损伤，影响大鼠的健康状态，而对效应的观察产生影响，此时灌胃为施加干预措施时的伴随因素。

3. 实验过程中某些环境因素的波动。如实验室温度、湿度的变化，而且不同季节、不同昼夜动物机体反应性会有一定改变，从而影响实验效应的观察。

4. 效应观察者的主观心理因素。由于效应观察者知晓研究对象所接受的干预措施，可能做出倾向于有利结果的观察或解释等，从而对效应观察和结果解释产生干扰。

5. 其它潜在的未知因素。

二、实验研究设计中有哪些基本原则？

为更好地显示处理因素的效应，并以较少的受试对象取得真实、可靠的结论，达到经济高效的目的，实验设计必须遵循对照(control)、随机化(randomization)和重复(replication)的原则。

(一) 对照原则

实验研究中在设置接受干预措施的实验组(experimental group)的同时，应设立对照组(control group)，即需设置不同量或强度的处理因素，这种不同的量或强度在统计学上称为该因素的水平(level)。常见的水平设置方式如施加/不施加干预措施、不同剂量等。此时，若能保证非处理因素的效应在实验组和对照组中达到相同，即N对照组=N实验组，则实验组的效应E实验组与对照组的效应E对照组的差异即可认为是两组干预措施的效应T实验组、T对照组不同引起的，从而说明处理因素的作用。可用下式加以表达：

E实验组?T实验组?N实验组E对照组?T对照组?N对照组对照组实验组??????E对照组?E对照组=T实验组?T对照组

N=N这里N对照组=N实验组称为均衡性或可比性，是指对照组和实验组除给予的处理不同外，非处理因素及其效应应保持一致，且在整个实验过程中，对照组和实验

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组应始终处于同时同地进行效应的观察，以排除实验过程中环境因素波动的影响，即设立同期对照(concurrent control)或平行对照(parallel control)。

相反，若某非处理因素在不同实验条件或干预措施的比较组间不具有可比性，可能系统地掩盖或歪曲处理因素与实验效应间的真实联系，从而做出错误的结论，则此时称该非处理因素为混杂因素(confounder)。

对照的形式有多种，可根据研究目的和对重要非处理因素的控制加以选择。常用的对照形式主要有以下几种：

1. 空白对照(blank control) 对照组不施加任何干预措施，从而体现非处理因素的效应，并通过与实验组效应的比较，将两组间效应的差别归因于处理因素。例如圣地红景天对自发性高血压大鼠模型(SHR)血压影响的研究中，治疗组予以圣地红景天500mg/(kg?d)灌胃，对照组不予任何处理。但灌胃作为施加干预措施的伴随措施，对大鼠的刺激及可能粘膜的损伤，影响大鼠的健康状态，造成两组在实验过程中不可比，影响效应的观察。因此空白对照常用于无损伤、无刺激的实验研究。

2. 实验对照（experimental control） 对照组施加某种与处理因素有关的实验因素。实验对照通常用于有损伤、有刺激的动物实验。例如圣地红景天对自发性高血压大鼠模型(SHR)血压影响的研究中，治疗组予以圣地红景天500mg/(kg?d)灌胃，对照组灌注等量、无药理作用的蒸馏水，以控制灌注过程中可能的损伤、刺激对实验效应的影响；类似的还有假注射、假手术、假针刺及假照射等。又如，在考察大豆对缺铁性贫血大鼠恢复正常的作用中，给予实验组大鼠添加了大豆的饲料，给予对照组普通饲料。这里饲料是与处理因素有关的实验因素，两组除是否添加大豆不同外，其它条件一致，从而显示和分析饲料中大豆的作用。由此可见，当处理因素的施加需伴随其他因素，而这些因素又可能影响实验结果时，应设立实验对照，以保证组间的均衡性。

3. 标准对照（standard control） 对照组采用现有标准方法或常规方法。在实验室研究中常用于某种新检验方法是否能代替传统方法、新的治疗方案是否能代替目前常规措施的研究等。本例中，若研究的最终目的在于明确圣地红景天能否替代目前常规治疗原发性高血压的药物，如卡托普利，则应与卡托普利的疗效进行比较，对照组灌注卡托普利，此即标准对照。

4. 相互对照（mutual control） 两个或几个不同的实验组互为对照，以探

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讨何种处理效果更好，可不必另设对照组。例如，圣地红景天对自发性高血压大鼠模型(SHR)血压影响的研究中，将研究对象随机等分为3组，每组10只，分别用三种不同的剂量灌胃：200mg/(kg?d)、500mg/(kg?d)和800mg/(kg?d)，以探讨最佳给药剂量。又比如探讨圣地红景天、天麻和白芷三种药物治疗原发性高血压的效果，各组间相互对照，从中选出最好的药物。

5. 自身对照（self-control） 对照与实验在同一受试对象身上进行，如身体对称部位或实验前后两阶段分别接受不同的处理，一个为对照，一个为实验，比较其差异说明干预措施的效果。本例，研究红景天的控压效果，测量实验结束后大鼠的尾动脉收缩压，并以实验前血压作为对照，如果血压下降，即说明红景天有效。但在这种处理前后的自身对照中，由于实验前后某些环境因素或自身特征发生了改变，从而使得比较组间的可比性降低。如本例，实验周期为8周，而鼠龄也对血压产生影响，实验前鼠龄的影响与实验后存在了差异。因此，在实验中常常需要另外设立一个平行的外对照，用实验组与对照组处理前后效应的差值来说明处理的效应。

(二) 随机化原则

如前所述，比较是说明处理因素效应的逻辑学方法，组间的均衡性是比较基础，而随机化是使非处理因素，尤其是难以具体控制、未知的非处理因素在组间达到均衡性的基本措施，并将非处理因素的效应归于实验误差之中。实验研究中，随机化主要体现在以下两个方面：

1. 随机分配

将受试对象随机分配到各处理组过程中，每个受试对象都有相同的机会分配到各组，接受不同的处理措施，从而使受试对象的基线特征在组间达到均衡可比。本例中将30只雄性SHR作为受试对象，每只大鼠都有相等的机会进入治疗组与对照组，分别予以圣地红景天500mg/(kg?d)或蒸馏水灌胃，即为随机分配，从而使体质量、月龄、遗传特性、高血压的严重程度及其它未知的潜在非处理因素等基线影响因素达到相对均衡。

常见的随机分配方法如完全随机化、配对随机化、区组随机化等，将在后续章节具体讲解。

2. 实验顺序随机

在受试对象非同时进入研究或不同阶段接受不同处理的研究中，每个受试对

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象先后接受不同处理的机会相等，使实验顺序对各对比组效应的影响达到均衡。

(三) 重复原则

重复是指在相同实验条件下进行多次实验或观察，以提高实验结果的可靠性。重复主要包括以下两方面的含义：

1. 对多个受试对象进行实验

用多个受试对象进行实验，避免把一次观察中的偶然或巧合的现象当成必然规律，即确保足够的样本含量，从而保证结论可靠性和外推性。

2. 对同一受试对象进行重复观测

即对同一受试对象连续、重复观测，并取均数作为指标的最终观测结果，从而反映指标的真值，以尽可能的排除测量误差的影响，保证了结果的精度。例如，血压一般都连续重复测3次，以3次的均数作为本次测量的最终结果。

第二节 如何进行实验研究设计

为了更好地贯彻实验设计的基本原则，合理安排处理因素、研究对象和实验效应三大要素，并控制非处理因素的干扰和影响，从而充分的显现处理因素的效应，在实验开始之前应对整个实验做出统筹规划，此即实验研究设计。良好的设计是顺利进行科学研究和数据统计分析的前提，也是获得预期结果的重要保证。虽然由于研究目的不同，研究领域和受试对象各异，实验研究设计有多种类型，但其设计的基本内容和步骤大体相近。本节仍以圣地红景天对自发性高血压大鼠模型(SHR)血压影响的研究为例，说明如何进行实验研究设计。

一、建立研究假设，明确研究目的

本研究中，红景天在藏医中已被用来改善循环，治疗高血压，但其机制不甚明了。有文献提示红景天苷为红景天主要有效成分，其具有心血管生物活性，推测红景天苷能抑制交感神经及与循环肾素-血管紧张素系统(renin angiotensin system, RAS)相互作用，从而出现控制血压的效果。此即本研究的研究假设。

研究假设是研究者根据已知的科学理论或来自于医学实践、文献及前期的探索性研究的科学事实，对所研究领域中的某种现象或问题作出的一种推测性论断和假定性解释。而科学研究是验证该假设是否成立的过程，如果研究结果与结论相符，则证明该假设正确。因此研究假设是所研究问题的暂时答案或预期结果。在实证主义研究视野下，没有研究假设意味着研究是没有基础的，是盲目的，也意味着研究结果是不可预期的。

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