实验设计

一、简答题

1.交叉设计和拉丁方设计的适用条件和优缺点各是什么？

答：交叉设计适用条件：

（1）处理因素只有2水平（A、B），且两个非处理因素（试验阶段、试验顺序）与处理因素间无交互作用。（2）试验要求两个阶段之间必须安排一定的间隔时间，以便消除前阶段治疗措施的残留效应保证两阶段的起始条件一致。（3）两次观察的时间不能过长，处理效应不能持续过久。（4）为消除患者的心理作用或防止研究者的暗示，一般多采用盲法。（6）交叉设计应尽量避免受试者的失访(lost of follow up)。（7）资料分析中，同样要考虑基线的影响。

拉丁方设计适用条件（特点）：（1）必须是三因素的实验，且因素水平数相等。（2）三因素是相互独立的，均无交互作用。（3）各行、列、字母所得实验数据的方差齐。

交叉设计优缺点：优点：（1）具备自身配对的全部优点，如减少个体差异对处理因素的影响，节省样本含量等；（2）能控制时间因素（试验阶段）对处理方式的影响，因而优于自身对照设计；（3）各试验对象皆接受了试验因素和对照，符合医德要求。

缺点：处理时间不能太长；受试对象中途推出造成数据缺失。限于慢性病的对症治疗，有时停药的间歇期不能为病人接受。

拉丁方设计优缺点：（1）优点是大大减少了实验次数，用较少的实验次数获得较多信息，尤其适用于动物实验和实验室研究;（2）双向控制误差,可以减少实验误差,比配伍组设计优越.（3）可以考核3个因素，也可以考核1或2个处理因素，可同时控制两个因素

缺点：（1）是要求处理数必须等于拉丁方的行（列）数，一般的试验不容易满足此条件（2）数据缺失会增加统计分析的难度;(3)重复少,对差别估计不够精确。

2.析因设计的优缺点。

优点：实验效率高:比单处理因素设计能提供更多的试验信息，可用来分析全部因素主效应，以及因素间各级的交互作用，在医学上可用于筛选最佳治疗方案、药物配方、实验条件等研究。缺点：当因素增加时，实验组数呈几何倍数增加，所需试验的次数很多;不但计算复杂，而且给众多交互作用的解释带来困难。因此，当因素及水平数较多时，一般不采用完全交叉分组的析因设计，而采用正交设计。

析因设计资料分析：应先分析交互效应。若交互效应有统计学意义，要逐一分析各因素的单独效应，即固定一个因素对其他因素进行分析；反之，若交互效应无统计学意义，则因素间的作用相互独立，直接分析各因素的主效应。

3.用正交表安排试验的基本步骤是什么？有交互作用的正交试验应如何安排，试验结果又如何分析？有交互作用的正交试验和无交互作用的正交试验的结果分析有何共同点和不同点？

答：1．明确试验目的，确定试验指标，挑因素，选水平；

2．用正交表安排试验：选合适的正交表，表头设计，水平翻译，列出试验方案表

3．按试验方案进行试验：试验安排好后，严格按各号试验的条件进行试验。

4．试验结果的分析：计算各因素的水平总和，计算各因素的极差，选取较优条件。

5．验证试验：通过验证试验，找出比较稳定的较优条件。

有交互作用的正交实验安排实验时除了挑选正交表以外，还要挑选相应的交互作用表，

将交互作用当成一个因素，根据交互作用表安排交互作用。结果分析可以有方差分析

法和直观法两种（共同点）。当交互作用有意义时，要优先分析交互作用，然后再分

析主效应（不同点）。

4.什么是重复测量设计？与随机区组设计有何不同？

答：重复测量是指对同一观察对象的同一观察指标在不同时间点上进行的多次测量，用于分析该观察指标在不同时间上的变化特点。

1．随机区组设计处理只能在区组内随机分配，每个实验单位接受的处理是不相同的。重复测量设计中“处理”是在区组（受试者）间随机分配(即一个个体的 m 个时间点的 m 个数据组成一个区组)，区组内的各时间点是固定的，不能随机分配。2．随机区组设计则要求每个区组内实验单位彼此独立。2．重复测量设计区组内（同一受试者）实验单位（不同时间点的数据）彼此不独立。

二、分析论述题

1、分析回答下列问题

利血平（A药）可以使小鼠脑中去甲肾上腺素（NE）等递质下降，现考察某种新药MWC（B 药）是否具有对抗利血平使递质下降的作用，将24只小鼠随机等分为四组，并给予不同处理后，测定脑中NE的含量，结果如下：

表1.小鼠经不同处理后脑中NE的含量

蒸馏水组利血平组MWC组利血平＋MWC组

630 181 715 407

760 103 663 397

687 138 638 378

676 141 887 363

892 197 625 438

523 193 648

412

1）资料采用的设计类型是什么？（2x2析因）

2）通过方差分析结果可以看出哪些因素对NE 含量有影响？（A 、B 及AB 的交互，答题时具体要说出因素名称）

3）对本资料如何下结论？（A 因素之间、B 因素之间及AB 的交互作用对NE 含量的影响不同，答题时具体要说出因素名称）

2、为了研究某个化疗辅助药（简称辅助药）提升白细胞计数的疗效，采用2周治疗为一个疗程后停药1周作为一个治疗周期，共治疗两个周期。收集200名术后肿瘤患者，随机分成两组，第一组在第一治疗周期采用化疗药＋辅助药，在第二治疗周期仅用化疗药，第二组在第一治疗周期仅用化疗药，在第二治疗周期采用化疗药＋辅助药，两组在两个治疗周期所用的化疗药均是相同的，并且剂量相同。以血常规中的白细胞计数作为该辅助药的疗效评价指标，并且分别在治疗前、第一个治疗周期结束时和第二个治疗周期结束时化验受试者的白细胞计数，试分析该辅助药提升白细胞的疗效。

研究者对白细胞计数资料进行对数变换，然后分别对第一治疗周期和第二治疗周期白细胞计数的对数资料用成组设计定量资料t 检验，比较用试验药和不用试验药的平均水平差异，结果下表

表3 白细胞计数取对数后的统计描述S X )(ln 几何均数

组别 第一治疗周期 第二治疗周期 用试验药 8.415 4（4 516）0.181 8 8.340 3（4 189）0.180 4 未用试验药 8.375 6（4 340）

0.181 4

8.301 9（4 032）

0.194 0

t =1.547 0, P =0.123 5 t =1.446 9, P =0.149 5

研究者认为：基于所述统计结果，没有足够的证据认为该药物可以提升白细胞计数。 请回答：

1） 基于上述研究背景可以判断该资料属于什么设计类型？（2x2交叉）

2） 能否认为该研究者用成组t 检验进行统计分析是合适的或最佳的？（不能）

3） 如果不合适或不是最佳的，则又该如何进行统计分析？（交叉设计方差分析：总变异、自由

度分解等）

SS SS SS SS SS =+++处理总阶段个体误差

ννννν=+++处理总阶段个体误差

3．研究蛇毒的抑瘤作用,拟将四种瘤株匀浆接种小白鼠,一天后分别用不同的蛇毒成份,各取四种不同的剂量腹腔注射,每日一次,连续10天,停药一天,解剖测瘤重.实验结果如下表。问不同蛇毒峰，蛇毒剂量抑瘤作用以及不同瘤株对蛇毒作用反应是否不同。

蛇毒分离毒抑瘤实验结果 剂量 （mg/kg ） 峰

Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅳ 合计

0．000 A 0.80 B 0.74 C 0.31 D 0.48 2.33

0．030 B 0.50 A 0.36 D 0.18 C 0.20 1.24

0．050 C 0.35 D 0.44 A 0.17 B 0.42 1.38

0．075 D 0.22 C 0.25 B 0.36 A 0.25 1.08

合计 1.87 1.79 1.02 1.35 6.03

A;1.58 B;2.02 C;1.11 D;1.32 (A B C D 为各自的合计值) 方差分析表

变异来源 SS 总 V MS F P

总 0.5179 15

行 0.2369 3 0.0789 9.987 P>0.05

列 0.1184 3 0.0395 5.000 P<0.05

字母 0.1152 3 0.0389 4.861 P<0.05

误差 0.0476 6 0.0079

1） 基于上述研究背景可以判断该资料属于什么设计类型？（4阶拉丁方）

2）完成方差分析表。

3） 写出假设检验的步骤并下结论？

答：1）建立假设并建立检验水准

对于药物间：

H0：5个总体均数全相等

H1：5个总体均数不等或不全相等

对于家兔间：

H0：5个总体均数全相等

H1：5个总体均数不等或不全相等

对于部位间：

H0：5个总体均数全相等

H1：5个总体均数不等或不全相等

α=0.05

（2）计算检验统计量F值

（3）确定P值，做出统计推断

F处理＞F0.05(3，6) P ＜0.05，在α=0.05水准拒绝H0，认为4种蛇毒间差别有统计学意义.

F剂量间＜F0.05(3，6) P ＞0.05，在α=0.05水准不拒绝H0，认为4种剂量间差别无统计学意义

F瘤株＜F0.01(3，6) P ＜0.05，在α=0.05水准拒绝H0，认为4种瘤株间差别有统计学意义.

三.练习（以下研究说出设计类型）

4）1.为研究12名高血压病人采用A、B两方案疗效的差别，随即地让其中6名病人先以A发治疗，后以B法治疗；另外6名病人先B法，后A法。记录治疗后血压的下降值（kPa），结果列于表1。

试分析A、B两方案疗效有无差别。（2x2交叉）

表1 A、B两方案治疗高血压病人后血压的下降情况

病人编号

阶段

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

Ⅰ B B A B A A A A B B B A

3.07 1.33

4.40 1.87 3.20 3.73 4.13 1.07 1.07 2.27 3.47 2.40

Ⅱ A A B A B B B B A A A B

2.80 1.47

3.73 3.60 2.67 1.60 2.67 1.73 1.47 1.87 3.47 1.73

2. 下面的表2是家兔在不同部位注射某种药物后所生疱疹的大小。家兔共有六只，其编号为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ。注射部位有六处，其代号为A、B、C、D、E、F，其中A、B、C在脊椎附近，D、

E、F在两侧，注射次序用1、2、3、4、5、6来表示。该表的读法是，第一次注射时1号兔在部位B 处注射，所生疱疹大小为7.5平均厘米；Ⅱ号兔在部位E处注射，所生疱疹大小为8.5平方厘米；余类推。（5阶拉丁方）

表2家兔注射某种药物后不同部位所生疱疹大小（cm2）

动物编号

注射次序

各动物小计各动物平均数1 2 3 4 5 6

ⅠB7.5 C6.7 A7.9 D6.1 F7.3 E6.9 41.4 7.07

ⅡE8.5 D8.2 B8.1 C9.9 A8.7 F8.3 51.7 8.62

ⅢC7.3 F7.3 E6.8 A7.4 B6.0 D7.7 42.5 7.08

ⅣA7.4 E7.7 C6.4 F5.8 D7.1 B6.4 40.8 5.80

ⅤF6.4 B6.2 D8.1 E8.5 C6.4 A7.1 42.7 7.12

ⅥD5.9 A8.2 F7.7 B7.5 E8.5 C7.3 45.1 7.52

各次小计43.0 44.3 45.0 45.2 44.0 43.7 265.2 -

部位小计 A B C D E F - -

46.7 41.7 44.0 43.1 46.9 42.8 - -

为162cm的，这5名女性肥胖者在服用该药前、服药3个月和服药6个月的体重测量值(kg)如下：（重复测量设计）

肥胖者编号服药前3个月6个月

1 48 46 42

2 5

3 51 47

3 52 52 48

4 52 51 48

5 53 52 49

4.为了比较A药和B药在疗程为6个月中的持续减肥的疗效，现有10个身高为160cm的女性肥胖者志愿参加这项研究。随机分成2组，每组各5人。分别考察这2组肥胖者在服药前、3个月和服药6个月的体重变化。这2组肥胖者在服用该药前、服药3个月和的体重测量值(kg)如下：（两因素重复测量设计）

组别和肥胖者编号服药前3个月6个月

A药组1号52 49 42

A药组2号51 50 46

A药组3号50 49 41

A药组4号51 49 44

A药组5号49 47 40

B药组1号51 54 53

B 药组2号 49 47 46 B 药组3号 50 47 44 B 药组4号 49 48 41 B 药组5号

52 50 48

四．实验设计方案安排实例：

1. 试验不同配方的减肥药a 1和a 2，28名肥胖自愿者参与试验。以服用减肥药4周后体重下降值为观察指标。采用何种设计方案？试述该设计步骤。（交叉） 1.将肥胖自愿者编号

2.给予随机数字

3.随机数字小的14人先a 1后a 2，随机数字大的14人先a 2后a 1，两阶段间有一定间歇期

4.按方案进行试验，收集数据。

5.分析数据

2．比较5种不同剂量的甲状腺素对豚鼠甲状腺体重量的影响，考虑到豚鼠种系与体重对结果的影响。选用何种设计方案，请叙述设计步骤及应用条件，并回答统计分析后能获得哪些结论？

随机区组设计。步骤：划分区组，区组内随机化，每个区组5个豚鼠；按随机区组设计进行试验；收集并分析数据。应用条件即方差分析的条件。可得出剂量、种系与体重对甲状腺重量的影响。 3.某医生欲比较饮食疗法与某种药物疗法对降低血清胆固醇含量的疗效，选择40名高血脂病人，设立四个组：①正常饮食②饮食疗法组③药物组④药物＋饮食疗法组。 问：①该设计属何种设计方案？2X2析因

②其统计分析结果可以回答哪些问题？主效应、交互作用及最优组合

4.将20名药物依赖患者随机等分为两组，分别用消瘾扶正胶囊和可乐定治疗，每位患者分别在治疗前、治疗后一天、2天、3天、4天、5天测量其舒张压，该资料为何种设计？统计分析总变异如何划分？

重复测量设计；总变异分为： )

()()

()(个体内误差处理与时间交互时间个体间误差处理受试对象内

受试对象间总

个体内误差处理与时间交互时间个体间误差处理受试对象内

受试对象间总νννννννν

++++=+=++++=+= SS SS SS SS SS SS SS SS

5．在某细胞实验研究中，使用两种浓度，两种培养温度，两种培养时间，两种培养基，若选择最优实验条件，请回答：

（1） 可采用何种实验设计？正交实验设计，可选用2水平的正交表。 （2） 陈述该设计的步骤？

1．明确试验目的，确定试验指标，挑因素，选水平，列出因素水平表；

2．用正交表安排试验：选合适的正交表，表头设计，水平翻译，列出试验方案表

3．按试验方案进行试验：试验安排好后，严格按各号试验的条件进行试验。

4．试验结果的分析：计算各因素的水平总和，计算各因素的极差，选取较优条件。

5．验证试验：通过验证试验，找出比较稳定的较优条件。

（3）该设计的统计分析可获得哪些结论？主效应、交互作用及最优组合

6．某医生研究肺癌根治手术后采用化学疗法和免疫疗法是否可以提高疗效？何者为优？它们之间有无交互作用？采用何种设计方法？

有交互作用可选择2×2析因设计；无交互作用可选择完全随机对照设计或者交叉实验设计。

7．选择20名支气管哮喘现症患者，比较舒喘平和舒喘宁的临床平喘效果，用第一秒通气量FEV为观察指标，请问可用哪些设计方案，以何种方案为最理想。

（1）完全随机设计：缺点：检验效能低；不满足伦理学要求

（2）配对设计缺点：不满足伦理学要求

（3）检验效能高；满足伦理学要求，疾病特点等综合考虑交叉设计

8.某实验拟采用拉丁方实验设计探讨5种心理训练程序对某种技能学习成绩的影响。现从5个群体中分别随机选取5名被试，并将实验分别安排在星期一、二、三、四、五进行。要求：

（1）以不同群体为行变量，实验时间为列变量，设计出具体的实验方案；

1）根据处理因素水平数，确定基本型拉丁方（5阶拉丁方）。

2）将基本型拉丁方随机化。

3）按随机化后的拉丁方阵安排实验：字母表示心理训练程序，行、列代表群体和被试。

4）根据设计进行试验，把试验结果记入相应位置。

5）进行数据分析，得出结论。

（2）写出方差分析的步骤；（总变异、自由度分解及假设检验的内容）

⏹变异的分解:总自由度=横行自由度+纵行自由度+处理自由度+误差自由度

⏹总平方和= 横行平方和+纵行平方和+处理平方和+误差平方和

（4）说明拉丁方设计的特点。（见问答题1）

补充练习：1.某医师研究甲乙两种药物对糖尿病的疗效，今欲了解两种药物各自的疗效及有无协同作用，以治疗前后血糖下降值为疗效指标。问：

①该研究用何种类型的实验设计较好？并写出其设计方案。（按2×2析因设计：甲、乙因素各两水平有和无，随机分为四组一般疗法，乙药＋一般疗法，甲药＋一般疗法，甲药＋乙药一般疗法）

②观察结果用何种类型统计分析方法？（析因设计的方差分析）

2.某医生为了研究一种降血脂新药的临床疗效，按统一纳入标准选择120名高血脂患者随机等分为4组，进行双盲试验。6周后测得低密度脂蛋白作为试验结果，问：

①该研究为何种类型的设计？（标准对照：常规降脂药。可以采用析因设计）

②该研究三要素是什么？（受试对象：高血脂患者；处理因素：药物；实验效应：低密度脂蛋白）

③该资料应选用何种统计分析方法？（析因设计的方差分析）

3.有人用2%碘化钾注射天突穴治疗地方性甲状腺肿，每次1-3ml，每3天注射一次，6次为一疗程，共治疗1274例，有效率97.3%，结论：穴位注射碘化钾疗效甚佳。请对此报告加以评价。（缺乏对照）

4.下列数据为某医生的研究结果，

乙药

药有430 560

①此研究为何种设计（2×2析因设计）

②分析并直观判断其交互作用属何种类型。（协同作用）

③如果需进一步分析判断，可用何种统计分析方法。（析因设计的方差分析）

5.某药物研究所研制了两种治疗高血压药物，今欲了解两种药物是否有降压作用，两种药物何者疗效好，两种药物之间是否有协同或拮抗作用。用这两种药物对32只高血压模型的雄性家兔进行治疗试验，每药设计两个剂量水平，请问：（同1、2、4）

①此研究的实验三要素是什么？②该用何种统计学设计？并写出其试验方案。

③实验结果应用何种统计分析方法分析？

6.某研究室拟研究某种中药的4个组分的抑瘤作用，以4种淋巴瘤细胞系在裸鼠体内建立的异体移植瘤为受试对象，观察4个组分不同剂量对移植瘤的抑制作用（需说明剂量-效应关系），请作出试验实施方案，并说明资料的统计分析方法。（设计拉丁方：1）根据处理因素水平数，确定基本型拉丁方（4阶拉丁方）。2）将基本型拉丁方随机化。3）按随机化后的拉丁方阵安排实验：字母表示中药，行、列代表细胞系和剂量。4）根据设计进行试验。5）进行数据分析，得出结论。）（拉丁方方差分析）

8.为研究酵解作用对血糖浓度的影响，某医师取10个健康人血液制备成血滤液，观察血滤液放置0、45、90、135分钟的血糖浓度变化，该研究采用何种类型的实验设计较好，并说明资料的统计分析方法。（重复测量设计、重复测量设计方差分析）

9.某医师欲研究比较组织胺与胃泌素对狗巴氏小胃盐酸分泌量的影响，今以12只狗为受试对象，请问：

①该研究的三要素是什么？（受试对象：狗；处理因素：组织胺与胃泌素；实验效应：盐酸分泌量）

②该研究可用那些实验设计方法，以那种设计方法的效率最高？若只有6只狗呢？（配对、交叉）

③请选择一种方法写出其设计方案。（配对：每只狗先后用两种物质干预，观察巴氏小胃盐酸分泌量）

④按你所选方法的完成实验后数据可用那种统计分析方法（配对t检验或交叉设计方差分析）

10.某大夫以大鼠肝损模型，观察A、B两药及联合用药效果，以谷丙转氨酶降低为指标，结果如下表，请问：（同1、2、4、5题）

空白A药B药A药＋B药

降低值52 52 47 84 44 48 64 88 40 44 52 90 26 44 45 88

X±S 40.50±10.88 47.00±3.83 52.00±8.52 87.50±2.52