实验设计类型的合理选择:析因设计合理选择及应用中存在的问题实例解答

前面说过定量资料分析方法的合理选择:析因设计的统计方法及常见错误辨析与释疑,本文介绍一下实验设计类型的合理选择:析因设计合理选择及应用中存在的问题实例解答

析因设计及其突出标志

析因设计是安排多因素实验的一种十分有效的设计类型,其有效性在于该设计不仅可以分析出全部单个实验因素(称为主效应)对观测结果的影响是否具有统计学意义,而且可以揭示出实验因素之间各级交互作用的效应大小。该设计是所有实验设计之中获得消息量最多且对因素之间关系解释得最清楚的实验设计方法,其缺点是所需要的实验次数较多,当拟考察的实验因素较多或水平数较多时,实验次数非常之多,故研究者一般难以承受。

一个设计是否为析因设计,有以下4个最突出的标志:

其一,不同的实验条件数为全部拟考察的实验因素的水平数之积;

其二,各实验条件下均做2次或2次以上独立的重复实验;

其三,在具体实验时,全部因素是同时施加的,换句话说,实验因素不是分期分批出现在实验过程中的;

其四,在进行统计分析时,实验因素对观测结果的影响被认为是同等重要的,即没有充分的专业证据给实验因素对观测的影响排出主次顺序。

合理选用析因设计安排多因素实验

例1 某研究者自称松球用水煎后制成的松球合剂对慢性气管炎有较好的疗效。

经有关专家检验后发现:所谓的松球合剂中含有麻黄和地龙这两种对该病有一定治疗作用的药物,因而怀疑「松球对该病有较好疗效的结论」是不正确的。

请你设计一个试验,验证「松球对该病有较好疗效的结论」的真伪。

辨析与释疑

本设计的关键是要设立合适的对照组,使实验结果能显示出单用松球的效果、「麻黄和地龙」的效果以及他们与空白对照组之间的差异有无显著意义。

为此,需设立4个组:即空白对照组、单用松球组、「麻黄+地龙」组、「松球+麻黄+地龙」组。各组均有足够多的样本含量,并设法保证各组患者的病情接近、患病时间的长短接近,抽烟、饮酒以及年龄和性别等重要非试验因素的构成情况也接近,严格按随机化原则选取和分配受试对象,选择特异性强、灵敏度高的定量观测指标。

上述分组的结果从表面上看是一个单因素四水平设计,其实是一个2×2析因设计,因为可以列出如下的设计格式:

实验设计类型的合理选择:析因设计合理选择及应用中存在的问题实例解答

由表1可知:这是一个由2个二水平因素全面组合而成的两因素设计,各组均有足够多的样本含量,实验时两因素同时施加,事先没有充分的专业知识断定两个因素中何者对观测结果的影响大,根据前述关于析因设计的「突出标志」可以判定表1所对应的设计类型为两因素析因设计。

例2 军装潮湿与干燥两种环境、静坐与活动两种活动状态下着装战士的主观热感觉研究

某单位研究A1~A5五种类型的军装在潮湿与干燥两种环境、静坐与活动两种活动状态下着装战士的主观热感觉(假定有较客观的观测指标,取名为INDEX),以便对不同类型的军装的合理使用作出科学安排。

根据预试验得知,因素之间的各级交互作用不可忽视,因素之间的主次地位尚不清楚,至少有60名年龄相同、健康状况相近的男战士志愿充当受试者。请选择一个最合适的试验设计方案(简述理由),并将其以表格的形式表达出来。

辨析与释疑

题中涉及3个试验因素,即军装类型、环境与活动状态,第一个因素取5个水平,后2个因素都取2个水平。因素各水平组合下可做重复试验,要考察交互作用,因素之间在专业上地位平等,故宜选用析因设计。由于3个因素的水平组合共有20种,60名受试者随机地均分入这20个组中去,每组3个,所对应的设计形式与实验结果如表2所示。

实验设计类型的合理选择:析因设计合理选择及应用中存在的问题实例解答

例3 在培养钩端螺旋体时,除将pH固定在7.2~7.4,温度固定在28℃外,需对血清种类(A)、浓度(B)、基础液(C)和添加剂(D)4个实验因素的不同水平所产生的效应进行研究。

A的2个水平分别是A1(兔血清)、A2(胎盘血清);B的2个水平分别是B1(5%)、B2(8%);C的3个水平分别是C1(缓冲剂)、C2(蒸馏水)、C3(自来水);D的2个水平分别是D1(加维生素B12和烟酸)、D2(不加维生素B12和烟酸)。

由专业知识得知:这4个因素之间的各级交互作用不可忽视,因素在专业上地位平等,科研经费允许在各种不同实验条件下可独立地做3次重复实验,观测指标为钩端螺旋体计数。请简述选择某种设计类型的理由,同时,用表格形式给出具体的实验设计。

辨析与释疑

依题意,本题适于运用析因设计,因为要考察的交互作用多,因素的地位平等,可以做独立重复实验。具体的设计格式如表3所示。

实验设计类型的合理选择:析因设计合理选择及应用中存在的问题实例解答

例4 某护士发现:注射液中微粒量的多少,将直接影响治疗效果。

经过认真观察,她发现产生微粒的因素较多,其中主要的因素有:A(安瓿)的种类、B(安瓿被割锯的长度)、C(消毒擦拭方法)。

研究者常用的安瓿有2种,记为A1与A2;割锯长度有2种,记为B1与B2;擦拭方法有3种,记为C1C3。观测指标Y是药液中产生的总微粒量(定量的)。由于病人很多,做重复实验并不困难,拟在各实验条件下独立重复4次实验。但尚不知三因素之间的各级交互作用是否具有统计学意义,最好通过实验研究对他们都能作出适当的估计。

问:应采用什么实验设计类型为宜?请给出选择某种设计类型的简要理由,并以表格形式给出设计的格式。

辨析与释疑

依题意,本题适于运用析因设计,因为要考察的交互作用多,可以做重复实验。因素对观测结果的影响地位是否平等未知,在缺乏充分的专业知识为依据的前提下,只能认为他们对观测结果的影响地位平等,故宜选用三因素析因设计来安排此实验,具体的设计格式如表4所示。

实验设计类型的合理选择:析因设计合理选择及应用中存在的问题实例解答

例5 某人在研究富硒螺旋藻(缩写成SES)对Coγ线胸部照射大鼠诱发肺炎的防治作用时,收集到表5资料。

实验设计类型的合理选择:析因设计合理选择及应用中存在的问题实例解答

文中明确交代各组动物均在照后0.5、1、2和3个月时活杀,检测有关指标的数值,用t检验作了统计分析。从设计类型判断角度看,原作者所犯的错误是什么?你认为此资料所对应的真正的实验设计类型是什么?

对差错的辨析与释疑

原作者用t检验处理表5资料,其实质就是将表5资料视为多个成组设计的定量资料,这显然是错误的。

表5中的实验分组因素(即处理方法)有3个水平,而时间因素有4个水平。3个实验组中的每一个组内的动物又被分成4个小组,分别在4个不同时间点上被处死,故时间对于3个实验分组中的动物来说不是重复测量因素,因此,可以排除「具有重复测量的设计」的可能性。

由于「处理方法」与「时间」两个因素同时施加于实验,尚无依据断定两个实验因素中何者对定量观测结果的影响大,只能视为同等重要,故这个设计应被判为「两因素析因设计」。

例6 某医生收集到表6资料,并误用t检验和q检验作了统计分析。

实验设计类型的合理选择:析因设计合理选择及应用中存在的问题实例解答

请指出原作者的错误,辨析资料的设计类型,把名称说得尽可能准确、清楚;并给出分析此资料的前提条件和正确方法。

对差错的辨析与释疑

原作者用「组别」一词概括地表达出6个组,这实际上是给自己的眼睛上蒙上了一块黑布,使自己误入歧途。因为「组别」一词使人感觉就是一个「实验因素」,其下的6种情况就是它的「6个水平」,但事实上,本例中的「组别」包含着「性别」与「时期」两个因素的6种组合,正确的做法是将这两个因素明确地写出来,使人一看便知。

所以,正确地表达资料和合理地编制统计表对于正确辨析实验设计类型、合理选用统计分析方法至关重要。本例正确的表达资料的方法和列表格式见表7。

实验设计类型的合理选择:析因设计合理选择及应用中存在的问题实例解答

由表7和有关的已知条件可以判定,这是一个两因素析因设计,当资料满足「独立性」、「正态性」和「方差齐性」的前提条件时,宜选用两因素析因设计定量资料的方差分析。

作者:胡良平等.医学论文中统计分析错误辨析与释疑:实验设计类型的合理选择.中华医学杂志

发表评论

:?: :razz: :sad: :evil: :!: :smile: :oops: :grin: :eek: :shock: :???: :cool: :lol: :mad: :twisted: :roll: :wink: :idea: :arrow: :neutral: :cry: :mrgreen: