医学科研设计的基本知识

来源： 点击数： 38 更新时间：20##-5-22 文章录入：liuxing

    熊国强　贺石林

　　关键词　　　研究设计；　医学；　作写

　　医学科研是在专业理论的指导下，围绕人类身心健康对尚未研究或尚未深入研究的事物进行探讨，旨在于揭示事物矛盾的内部联系与客观规律，比较正确地回答和解决所提出的新观点、新技术。

1　医学科研设计的分类及其特点
　　医学科研设计的类型取决于医学专业的各自特点、研究目的、研究对象等条件。
1.1　医学研究的分类及其设计类型　现代医学研究的分类可以沿自然科学的分类，分为基础医学、临床医学、预防医学和卫生事业管理学研究。研究对象包括正常人、病人、动物(实验动物)和生物体赖以生存的自然和社会环境。包括①调查研究：研究者为了解人群的健康状况(疾病的分布、患病率、发病率、病死率和死亡率的水平和消长)，研究环境因素的致病或保护作用，必须结合专业进行周密的调查设计。调查设计是调查研究工作的先导和依据，也是调查结果准确可靠的保证。调查设计的特点即研究因素是客观存在的，如职业、地域、民族等；不能用随机化分组来平衡混杂因素对调查结果的影响，故重点是调查表、分析表与抽样方法设计。②临床试验：临床医学研究的内容很广泛，包括了病因学、诊断学、疗效和预后诸领域的研究。限于篇幅现仅就其中疗效观察予以阐述。疗效研究内容即有药物、手术、理化因素的效应，也有营养、护理等辅助措施与预防措施的作用，也可以是对完整的一组治疗方案或一种特定形式的治疗措施的研究。疗效研究的指标，根据不同的目的可以是：生存或死亡，痊愈或未愈，有效或无效，症状或体征的存在或消失，生理、生化指标的变化及副作用等等。如何评价临床疗效的优劣，应注意试验设计的类型，被试因素(药物、手术、理化因素等)的科学性，受试对象的代表性及其诊断的正确性，疗效指标的统一性和可靠性。③实验研究：将若干随机抽取的实验对象随机分配到两个或多个处理组，观察比较不同处理因素的效应，这种研究称为实验研究。实验研究的特点是：研究者能人为设置处理因素；研究对象接受处理因素的种类或水平是由随机分配决定的。因此，实验研究能够更有效地控制误差，使多种实验因素包括在较少次数的实验之中。广义的实验研究包括动物实验、临床试验和社区干预试验。
1.2　医学科研设计的内容(专业设计和统计学设计)　科研设计主要是为了保证科研(实验、观察)结果符合以下四个性质：①有用性(适用性、目的性，也包括可行性)；②独创性(先进性)；③在减少或排除系统误差前提下的可重复性；④经济性(样本的代表性)。科研设计可分为两个方面：①专业设计，是运用专业理论和知识技术来进行设计，主要功能是为了解决实验观察结果的有用性和独创性。从专业理论角度来选定具体的科研课题，提出假说，围绕检验假设制订技术路线和实验方案。专业设计的正确与否是科研成败的决定因素。②统计学设计，是运用数理统计学理论和方法来进行设计。减少抽样误差和排除系统误差，保证样本的代表性和样本间的可比性，确保实验观察内容的合理安排，以便使实验结果进行高效率的统计分析，以最少的实验观察次数(例数)得出相对最优的结果和可靠的结论。因此，统计学设计是科研结果可靠性和经济性的保证。总之，专业设计和统计学设计都是科研设计的两个重要组成部分，二者相辅相成，缺一不可。由于实验设计涉及医学科研领域广泛，内容也较复杂，方法也较繁多，本文重点介绍科研设计的要素与实验设计的原则及其注意事项。

2　实验设计的三大要素
　　科研的基本要素包括处理因素、受试对象和实验效应。如用某种传统西药或中成药治疗缺铁性贫血病人，观察比较两组病人血红蛋白的上升趋势，该研究中所用的两种药物称为处理因素，缺铁性贫血病人称为受试对象，血红蛋白称为实验效应。如何正确选择三大要素是科研中专业设计的关键问题。
2.1　处理因素(受试因素)　通常指由外界施加于受试对象的因素，包括生物的、化学的、物理的或内外环境的。但是生物本身的某些特征(如性别、年龄、民族、遗传特性、心理因素等)也可作为处理因素来进行观察。因此，研究者应正确、恰当地确定处理因素。一般应注意以下几点：①抓住实验研究中的主要因素。研究中的主要因素是按以往研究基础上(本人或他人)提出的某些假设和要求来决定的。一次实验涉及的处理因素不宜太多，否则会使分组增多，受试对象的例数增多，在实施中难以控制误差。然而，处理因素过少，又难以提高实验的广度和深度。因此，需根据研究目的的需要与实施的可能来确定带有关键性的因素。②找出非处理因素。除了确定的处理因素以外，凡是影响实验结果的其他因素都称为非处理因素，所产生的混杂效应也影响了处理因素产生的效应对比和分析，这些非处理因素又称混杂因素。例如上述两种不同药物治疗缺铁性贫血病人的试验，非处理因素可能有年龄、性别、营养状况等。如果两组病人的年龄、性别、营养等构成不一，则可能影响药物疗效的比较。因此设计时便设法控制这些非处理因素，只有这样才能消除它们的干扰作用，减小实验误差。③处理因素必须标准化。处理因素的强度、频率、持续时间与施加方法等，都要通过查阅文献和预备试验找出各自的最适条件，然后订出有关规定和制度，并使之相对固定，否则会影响试验结果的评价。如处理因素是药物，必须正确选择批号，给药途径和时间也应标准化和相对固定化。
2.2　受试对象(研究对象)　受试对象的选择十分重要，对实验结果有着极为重要的影响。大多数医学科研的受试对象是动物和人，也可以是器官、细胞或分子。但中药种植中培育品系的研究则将药用植物列为受试对象。
　　在医学科研中，作为受试对象的前提是所选对象必须同时满足两个基本条件：①必须对处理因素敏感；②反应必须稳定。因此，在观察新药的临床疗效试验中，应当选择中等程度中青年患者，只有这样才能显示疗效率高低的差别。受试对象的疾病应诊断明确(依照国内或国际统一的诊断标准)，且表现具有典型性。研究者必须深知病人的心理状况、情绪起落、病情程度、病程长短、生活习惯、个人嗜好、家庭经济收入、食品种类等都不同程度地影响疗效，这些影响因素必须很好地加以控制，使组间均衡化。根据研究目的不同，对实验动物的选择要求也不同。动物的选择应有针对性地注意种类、品系、年龄(月龄)、性别、体重、窝别和营养状况等。为保证实验效应的精确性，某些动物的生活环境还有严格要求。
2.3　试验效应　试验效应内容包括试验指标的选择和观察方法两个部分。指标的选择有以下要求：①指标的关联性，选用的指标必须与所研究的题目具有本质性联系，且能确切反映被试因素的效应。所选指标是否具有关联性，充分反映了研究者的专业知识与技术水平。②指标的客观性，指标数据来源决定它的主、客观性质。主观性指标来自观察者或受试对象，易受心理状态与暗示作用的影响，在科研中一般尽量少用。客观性指标是指通过精密设备或仪器测定的数据，能真实显示试验效应的大小或性质；排除了人为因素的干扰。③指标的灵敏度，通常是由该指标所能正确反映的最小数量级或水平来确定。如溶液中物质含量的测定，除测出下限值以外，还可测出最低改变浓度来反映灵敏度。一般要求其灵敏度能正确反映处理因素对受试对象所引起的反应就够了，并非灵敏度越高越好。④测定值的精确性，精确性具有指标的精密度与准确度双重含义。准确度是测定值与真实值接近的程度。精密度是重复测定值的集中程度。从设计角度来分析，第一强调准确，第二要求精密。既准确又精密最好，准确但精密度不理想尚可，而精密度高但准确度低则不行。应当强调指标的精确性除与检测指标的方法、仪器、试剂及试验条件有关外，还取决于研究者的技术水平及操作情况。⑤指标的有效性，指标的有效性是由该指标的敏感性(敏感度)与特异性(特异度)来决定的。医学中，理想的试验是阳性只出现在患有本病的条件下，未患本病时的试验是阴性。但是绝大多数生物学与医学试验，由于生物个体之间存在差异与试验结果呈正态分布或偏态分布，从试验结果来分析，患者与非患本病者通常在分布上存在不同程度的交错重叠现象。例如测定年龄、性别、民族、地区相同三群人的身高(巨人症、正常人、呆小病)，不难发现正常人中个别高个子与巨人症中的矮个子的身高值有重叠，正常人中的矮个子又与呆小症中的高个子身高值有重叠。对于大多数试验而言，在样本含量确定的条件下，敏感性与特异性存在反变关系。因此，在选择指标时，宜将二者综合起来考虑。

3　实验设计的三大原则
　　在医学科研中，通过专业设计正确而科学地解决三大要素中各环节的复杂问题以后，在进行具体实验以前还必须进行实验设计，例如对受试对象如何分组、怎样合理估计各处理组(处理组合)中样本例数、如何对非处理因素的控制等方面作进一步的操作和安排。对照、随机与重复是实验设计中的三大原则，这是任何实验都应当高度注意和遵循的。
3.1　对照的原则　对照是实验设计的首要原则。有比较才能鉴别，对照是比较的基础。除了受观察处理因素外，其它影响效应指标的一切条件在实验组与对照组中应尽量齐同，要有高度的可比性，才能排除混杂因素的影响，对试验观察的项目作出科学结论。对照的种类有很多，可根据研究目的和内容加以选择。常用的有以下几种：①空白对照，对照组不施加任何处理因素。这种方法简单易行，但容易引起实验组与对照组在心理上的差异，从而影响实验效应的测定。临床疗效观察一般不宜采用此种对照。②安慰剂对照，对照组采用一种无药理作用的安慰剂，药物剂型或处置上不能为受试对象识别。因为精神心理因素也可通过神经与内分泌多途径对机体与疾病产生重要影响。据估计临床疗效约30%来自病人对医护人员与医疗措施的心理效应。但务必注意在临床科研中务必遵循病人利益第一的原则。一般认为只有无特效治疗的慢性病，方可使用安慰剂。③实验条件对照，对照组不施加处理因素，但施加某种与处理因素相同的实验条件。实验条件包括操作技术、被试因素的溶媒或容量等。凡对试验效应产生影响的实验条件，宜采用此法。④标准对照，用现有的标准方法或常规方法做对照。在观察评价某种药物或疗法对某病的疗效时，为不延误病人的治疗，对于急性病、危重病和有特殊治疗办法的疾病，均应用已知的有效药物、有效疗法或公认的标准疗法作对照。
　　应当指出：临床疗效判断仅有自身前后对照是不够的，因为许多疾病的发生、发展与时间、季节等因素有关。其次，对于绝大多数疾病而言，历史对照也是次要的，因为随着年代的变迁，许多条件发生了明显变化；但目前认为的“不治之症”的疾病，还可以历史作为潜在对照。
3.2　随机化原则　在实验研究中，不仅要求有对照，还要求各组间除了处理因素外，其他可能产生混杂效应的非处理因素在各组中(对照和实验组)尽可能保持一致，保持各组的均衡性。贯彻随机化原则是提高组间的均衡性的一个重要手段；也是资料统计分析时，进行统计推断的前提。随机化抽样的目的就是要使总体中每一个研究对象都有同等机会被抽取分配到实验组或对照组。随机抽样又根据医学研究的范围大小、专业类型和研究对象的不同而有所区别。如用流行病学方法研究人群中的流病和非流病题目采用单纯随机、系统、整群与分层抽样。实验研究时，采用完全随机分配或分层随机分配；小动物实验大多数先配对或配伍组，然后“对”内或“伍”内进行随机分配，但大动物多半先分层后在层内随机分配。随机化抽样的基本方法有随机数学表、计算器随机数学法和抽签法等，研究者可视具体情况而定。
3.3　重复的原则　要使统计量(样本指标)代表参数(总体指标)，除用随机抽样方法缩小误差外，重复实验是保证实验结果可靠的另一基本方法，这是实验设计的另一基本原则。实验要求一定重复数，其目的是使均数逼真，并稳定标准差，只有这样来自样本的统计量才能代表总体的参数，统计推断才具有可靠的前提。
　　重复例数(样本例数)的决定因素包括处理的效果的明显性、实验误差的大小、生物个体变异的大小、资料性质、确定的第一类误差(α)和第二类误差(β)的大小和实验设计的类型。总之，样本例数太多或太少都不利于揭示事物间的差别。为此，应该在保证实验结果具有一定可靠性的条件下，确定最低的样本例数，以便节约人力和经费。

4　样本例数的估计
　　假设检验(显著性检验)时所需样本例数的估计方法，可通过公式计算或查表求得，但两者均需要事先确定如下指标。①所比较的两个总体参数间的差值。若无法得到参数的信息，可作预试验或用专业上公认的差值代替。②总体标准差，常用预试的样本标准差来估计。③第一类误差的概率(α)，即检验水准。α越小，所需样本例数越多。结合专业要求判断是单侧检验还是双侧检验。④检验效能(1-β)，即在特定的α水准下，若总体间确实存在差别，该次试验能发现此差别的概率。β为第二误差的概率越大，所需样本例数越多。
　　结合α和β的大小可以这样理解，即用如此确定的样本例数作实验，若总体参数间确实相差这么大，则预期有1-β的概率(把握度)按α检验水准得出有差别的结论。在实际工作中，统计学工作者已假定差值与标准差，并拟定不同α和β，分成单侧和双侧等条件，作成常见实验设计所需样本含量表，科研工作者可以根据需要查表以确定每组样本例数。

 

第二篇：医学科研设计的基本原则

§10  医学科研设计的基本原则

第一节  医学科研设计的基本原则

一、对照的原则

¨对照的作用：分离处理效应（排除偶然的非处理因素的干扰）。

·常见的对照方法：

（一）空白对照：如疫苗、中毒试验

（二）实验对照：如两种药物疗效比较

（三）标准对照：如正常值（常模）、标准值对照

（四）自身对照：如服药前后、减肥试验

（五）相互对照：如几种药物互相对照

（六）历史对照：如蚊虫密度（一般不可取）

二、均衡的原则

h又称齐同原则，要求有关的非实验因素尽可能相同。

h随机抽样是达到均衡性的一种手段。

三、随机的原则

h随机≠随便

h随机是指受试个体有同等的机会分配到各组

例10.1 将10头动物应用随机数字表分配到甲、乙两组（用表10-1）。

1）将动物编号（可随便）

2）表10-1中取10个随机数（21行21列开始往下。实际上可随便指定开始点）

3）约定双数为乙组，单数为甲组，得各个动物组别

4）从甲组中随机抽一头到乙组（若需两组相等）

¨排序法（补充）：

1）将动物编号（可随便）

2）表10-1中取10个四位的随机数（21行21列开始往下。实际上可随便指定开始点）

3）约定单数为甲组，双数为乙组，得各个动物组别

4）约定前5个序号对应的动物为甲组，其余为乙组（按计划的例数分配，一次分组成功）

四、重复的原则

h重复是指有一定的例数

h要素：

1）第一类误差a=？（0.05）

2）第二类误差b=？，或检验效能1-b=？（0.80）

3）精度要求，如d=m₁-m₂

4）观察值的变异度，如总体标准差s的估计值S=？（经验估计或预试验）

1. 样本均数与总体均数比较

                                     

双侧u_0.05=1.96   u_0.20=1.2816

单侧u_0.05=1.645  u_0.20=0.8416

S为总体标准差s的估计值

2. 两样本均数比较

                              

第二节  医学实验三要素

   医学实验包括三个基本组成部份，即处理、对象和效应。例如，观察某降压药的效果，某降压药就是处理，高血压患者为对象，血压值的下降则是效应。

（１）处理（treatment)  根据研究目的，研究者欲观察的作用于实验单位并引起直接或间接效应的因素，称为处理。

医学研究中，除了“处理”对实验结果产生影响外，还有一些“非处理因素”(又称干扰因素)也会对实验结果产生影响。例如，制作培养基的条件、培养基放置的位置和时间等。这些因素均可影响污染程度的观察值，它们混杂于处理因素之中，起着干扰作用。在确定处理的同时，根据专业知识与实验条件，尽可能找出对研究结果产生影响的重要的非处理因素，以便排除或削弱其影响。

在同一项研究中，处理因素应该标准化，即研究过程中处理应该自始至终保持一致，不能因任何原因中途改变。

（２）对象（subject）　根据不同的研究目的，实验对象可以是人、动物，也可以是某个器官、血清、细胞等。

在实验进行前必须对研究对象的条件作明确的规定，以确保研究对象的同质性 (homogeneity)。所有满足条件的研究对象就是研究之总体；参与实验的研究对象就是样本。只有当样本具有代表性时，所得研究结果才具有普遍性和推广价值。

（３）效应（effect)　效应是处理因素作用于受试对象的结果。一般通过适宜的指标(即变量)来表达。实验指标和测定方法的选择事关研究的成败。选择指标的依据是：有效、精确和敏感。