均匀试验设计uniformexperimentaldesign课件.ppt

1、 将实验对象按完全随机化的原则分将实验对象按完全随机化的原则分配至两个或多个处理组去进行实验观察配至两个或多个处理组去进行实验观察，仅涉及一个因素即处理因素（可以有，仅涉及一个因素即处理因素（可以有2 2个或多个水平），又称单因素设计、个或多个水平），又称单因素设计、成组设计成组设计 优点优点：操作简单、应用广泛。设计和统计分析操作简单、应用广泛。设计和统计分析方法简便易行，各组例数可相等，也可不方法简便易行，各组例数可相等，也可不等（以相等时检验效能最高）等（以相等时检验效能最高）缺点缺点：效率低，只能分析一个因素的效应，得效率低，只能分析一个因素的效应，得出一个结论。没有考虑个体间的差异，

2、因出一个结论。没有考虑个体间的差异，因而要求观察对象要有较好的同质性，否则而要求观察对象要有较好的同质性，否则需扩大样本含量需扩大样本含量 分析方法分析方法：t t，u u检验，方差分析、秩和检验、卡检验，方差分析、秩和检验、卡方检验、确切概率法等方检验、确切概率法等 计量资料两样本:多样本t检验、u检验、秩和检验F检验H检验计数资料两样本率的比较多样本率或构成比比较2检验、Fisher确切概率法u检验:2检验、Fisher确切概率法等级资料两样本：Wilcoxon秩和检验多样本：H检验(2检验仅比较构成的不同)先将受试对象按配比条件配成对子先将受试对象按配比条件配成对子或配伍组，以消除配伍因

3、素的影响，或配伍组，以消除配伍因素的影响，再将各对或各配伍组中的个体按随机再将各对或各配伍组中的个体按随机分配的原则给予不同的处理，分配的原则给予不同的处理，又称又称随随机区组设计机区组设计 配比条件配比条件：常以主要的非处理因素作：常以主要的非处理因素作为配比条件为配比条件 配对有自身配对和不同个体配对，配伍实配对有自身配对和不同个体配对，配伍实际上是配对的推广际上是配对的推广 涉及两个因素：处理因素和配伍因素涉及两个因素：处理因素和配伍因素优点优点：1.1.尽量排除非处理因素对实验结果尽量排除非处理因素对实验结果的干扰，保证了组间的可比性，减少抽的干扰，保证了组间的可比性，减少抽样误差，提

4、高统计效能样误差，提高统计效能 2.2.可以减少样本含量。可以减少样本含量。缺点缺点：1.1.由于配对或配伍条件的限制，有由于配对或配伍条件的限制，有时难以将受试对象配成对子或区组，时难以将受试对象配成对子或区组，从而损失部分受试对象的信息从而损失部分受试对象的信息 2.2.区组内若有一个对象的数据发生区组内若有一个对象的数据发生缺失，对资料分析的影响较大缺失，对资料分析的影响较大分析方法：分析方法：配对资料：配对资料：t t检验、符号秩和检验检验、符号秩和检验 配伍资料：配伍资料：F F检验、检验、M M检验检验 将将A A、B B两种处理先后施加于同一批两种处理先后施加于同一批受试对象，随

5、机地使半数受试者先接受试对象，随机地使半数受试者先接受受A A后接受后接受B B，而另一半受试对象则正，而另一半受试对象则正好相反，即先接受好相反，即先接受B B再接受再接受A A，由于两，由于两种处理在全部实验过程中交叉进行，种处理在全部实验过程中交叉进行，称为交叉设计。称为交叉设计。编号编号阶段阶段1 1阶段阶段2 21 1A AB B2 2A AB B3 3A AB B4 4A AB B5 5B BA A6 6B BA A7 7B BA A8 8B BA A编号编号对子号对子号随机数随机数 阶段阶段1 1阶段阶段2 21 11 19393A AB B2 2B BA A3 32 22222

6、B BA A4 4A AB B5 53 35353A AB B6 6B BA A7 74 46464B BA A8 8A AB B9 95 53939A AB B1010B BA A11116 60707A AB B1212B BA A 在自身配对设计基础上发展起来在自身配对设计基础上发展起来的一种特殊的自身对照设计。它克服的一种特殊的自身对照设计。它克服了自身配对试验前后对照中由于时间了自身配对试验前后对照中由于时间因素对试验结果的影响所造成的便倚因素对试验结果的影响所造成的便倚 考虑了考虑了一个处理因素一个处理因素（2 2水平）、水平）、两个非处理因素两个非处理因素对试验结果的影响，对试验

7、结果的影响，属于三因素设计属于三因素设计 适用条件及注意事项适用条件及注意事项：1.1.处理因素只有处理因素只有2 2个水平，非处理因素（个水平，非处理因素（试验阶段、受试对象）与处理因素间无交试验阶段、受试对象）与处理因素间无交互作用互作用2.2.两种阶段间必须安排一定的间隔时间两种阶段间必须安排一定的间隔时间(效应去除时间效应去除时间)或称洗脱期（或称洗脱期（washout-washout-timetime），以保证两种处理的效应不会混杂），以保证两种处理的效应不会混杂在一起在一起 适用条件及注意事项适用条件及注意事项：3.3.两次观察的时间不能过长，处理效应两次观察的时间不能过长，处理效

8、应不能持续过久不能持续过久4.4.适用于病情稳定、短期治疗可见疗效的适用于病情稳定、短期治疗可见疗效的疾病疾病5.5.多彩用盲法多彩用盲法优点优点：1.1.具备自身配对的全部优点，如减少个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、节省样本量等体差异对处理因素的影响、节省样本量等 2.2.能控制时间因素对实验效应的影响，能控制时间因素对实验效应的影响，故优于自身对照设计故优于自身对照设计3.3.各实验对象皆接受了试验因素和对照（各实验对象皆接受了试验因素和对照（如安慰剂），均等地考虑了每一个患者的如安慰剂），均等地考虑了每一个患者的利益，符合医德要求利益，符合医德要求 缺点缺点：1

9、.1.不允许有病人失访，否则将造成该不允许有病人失访，否则将造成该对象已有数据的完全浪费对象已有数据的完全浪费2.2.不适于病程较短的急性病治疗效果的研不适于病程较短的急性病治疗效果的研究究3.3.如果第一阶段给予处理措施后该病便已如果第一阶段给予处理措施后该病便已治愈，则第二阶段的措施则不可能反映出治愈，则第二阶段的措施则不可能反映出来，所以交叉设计只适用于某些病程相对来，所以交叉设计只适用于某些病程相对较长的疾病（如高血压、头痛等慢性病的较长的疾病（如高血压、头痛等慢性病的研究）研究）按拉丁字母组成的方阵来安排实按拉丁字母组成的方阵来安排实验的三因素等水平设计。该设计同时验的三因素等水平设

10、计。该设计同时考虑三个因素（一般是一个处理因素考虑三个因素（一般是一个处理因素、两个配伍组因素）对实验结果的影、两个配伍组因素）对实验结果的影响。响。是在随机区组设计的基础上，多是在随机区组设计的基础上，多安排了一个对实验结果有影响的非处安排了一个对实验结果有影响的非处理因素，增加了均衡性，减少了误差理因素，增加了均衡性，减少了误差。行、列：代表控制因素的水平行、列：代表控制因素的水平方阵中的字母：代表处理因素的水平方阵中的字母：代表处理因素的水平要求要求：三个因素：三个因素 无交互作用无交互作用 水平数相等水平数相等 方差齐方差齐设计步骤设计步骤：1.1.根据主要因素的水平数，确定基本根据主

11、要因素的水平数，确定基本型拉丁方，并使另外两个次要因素的型拉丁方，并使另外两个次要因素的水平数与之相等水平数与之相等 2.2.将基本型拉丁方随机化，按随机化将基本型拉丁方随机化，按随机化后的拉丁方安排实验后的拉丁方安排实验 3.3.规定行、列、字母所代表的因素和规定行、列、字母所代表的因素和水平，通常字母表示主要处理因素水平，通常字母表示主要处理因素优点优点：节约样本量节约样本量 使观察单位更加区组化和均衡化，进使观察单位更加区组化和均衡化，进一步减少抽样误差，提高效能一步减少抽样误差，提高效能缺点缺点：要求三因素无交互作用且水平数相等要求三因素无交互作用且水平数相等，实际工作中有一定的局限性

12、，实际工作中有一定的局限性 是一种将两个或多个因素的各水是一种将两个或多个因素的各水平交叉分组进行实验的设计。它不仅平交叉分组进行实验的设计。它不仅可检验各因素内部不同水平间有无差可检验各因素内部不同水平间有无差异，还可检验异，还可检验2 2个或多个因素间是否个或多个因素间是否存在交互作用存在交互作用 例：某医生欲研究例：某医生欲研究A A、B B两药是否有治两药是否有治疗缺铁性贫血的作用，以及两药间是疗缺铁性贫血的作用，以及两药间是否存在交互作用否存在交互作用A因素A1A2平均 A1-A2B因素B12.11.01.1B21.20.80.4平均0.75B2-B10.90.20.55A的主效应的

13、主效应A的单独效应的单独效应B的单独效应的单独效应B的主效应的主效应单独效应单独效应(simple effect)(simple effect)：指其它因：指其它因素的水平固定时，同一因素不同水平间素的水平固定时，同一因素不同水平间的差别的差别主效应主效应(main effect)(main effect)：某一因素各水：某一因素各水平间的平均差别平间的平均差别交互作用交互作用(interaction)(interaction)：当某一因素：当某一因素的各个单独效应随另一因素的不同水平的各个单独效应随另一因素的不同水平变化而变化时，则称这两个因素间存在变化而变化时，则称这两个因素间存在交互作用

14、交互作用 析因设计时，分析的因素数和水平数析因设计时，分析的因素数和水平数不宜过多，一般因素数不超过不宜过多，一般因素数不超过4 4，水平数，水平数不超过不超过3 3 实验组数实验组数=各因素水平数的乘积。各因素水平数的乘积。设计模型设计模型：2 22 22 22 22 32 32 22 22 23 3优点优点：是一高效的实验设计方法，不：是一高效的实验设计方法，不仅能分析各因素内部不同水平间有无仅能分析各因素内部不同水平间有无差别，还可分析各因素间的交互作用差别，还可分析各因素间的交互作用。缺点缺点：与正交实验设计相比，属于全：与正交实验设计相比，属于全面试验，因此，研究的因素个数和因面试验

15、，因此，研究的因素个数和因素的水平数不宜过多素的水平数不宜过多 原则原则：若存在交互作用，需逐一分析：若存在交互作用，需逐一分析各因素的单独效应，此时分析主效应各因素的单独效应，此时分析主效应无意义；无意义；若不存在交互作用，则两因素的作用若不存在交互作用，则两因素的作用相互独立，只需考虑各因素的主效应相互独立，只需考虑各因素的主效应即可即可 列列 号号实验号实验号12345671111111121112222312211224122221152121212621221217221122182212112表表9-19 9-19 L L8 8（2 27 7）正交设计表）正交设计表 正交实验设计正

16、交实验设计：利用一套规范化的利用一套规范化的正交表正交表，使每次试，使每次试验的各因素及其水平得到合理安排的高验的各因素及其水平得到合理安排的高效多因素实验设计。效多因素实验设计。常用于常用于：寻找疗效好的药物配方、医疗仪器寻找疗效好的药物配方、医疗仪器多个参数的优化组合、生物体的培养条多个参数的优化组合、生物体的培养条件等寻求最优搭配方案的研究。件等寻求最优搭配方案的研究。与析因实验相比，与析因实验相比，正交设计：正交设计：是析因实验的部分实施是析因实验的部分实施(可减少多因素可减少多因素实验的次数实验的次数)可成倍的减少实验次数可成倍的减少实验次数（以牺牲分析（以牺牲分析各因素的交互作用为

17、代价）各因素的交互作用为代价）g=2g=22 22 22 22=322=32 g=16 g=16 或或 g=8g=8只分析有意义的主效应和部分重要因只分析有意义的主效应和部分重要因素的一级交互作用素的一级交互作用 1.1.正交表的符号正交表的符号：L Ln n(K(Km m)L L：表示正交表：表示正交表(orthogonal layout)(orthogonal layout)n n：表示正交表有：表示正交表有n n行，代表实验次数行，代表实验次数 m m：表示正交表有：表示正交表有m m列，表示列，表示最多最多允许安排允许安排的因素的因素(及其交互作用及其交互作用)的个数的个数 K K：表

18、示各因素的水平数，即每列中的数：表示各因素的水平数，即每列中的数字为字为1 1、2 2k kL L8 8(2(27 7)：表示最多可安排表示最多可安排7 7个个2 2水平的因素要水平的因素要做做8 8次实验的正交表次实验的正交表L L1616(2(21515)L L3232(2(23131)L L9 9(3(34 4)L L1818(3(37 7)列列 号号实验号实验号12345671111111121112222312211224122221152121212621221217221122182212112表表9-19 9-19 L L8 8（2 27 7）正交设计表）正交设计表 2.2.正

19、交表的性质正交表的性质：每列中不同数字出现的次数相同每列中不同数字出现的次数相同 任两列同一横行的任两列同一横行的2 2个有序数对出现个有序数对出现的次数相等的次数相等3.3.正交表的交互作用表正交表的交互作用表每个正交表均有其对应的交互作用表每个正交表均有其对应的交互作用表 列列 号号列号列号1 12 23 34 45 56 67 71 13 32 25 54 47 76 62 21 16 67 74 45 53 37 76 65 54 44 41 12 23 35 53 32 26 61 1表表9-20 9-20 L L8 8(2(27 7)交互作用表交互作用表 4.4.正交表分类正交表分

20、类：相同水平正交表相同水平正交表：即各列的水平数相同即各列的水平数相同 混合水平正交表混合水平正交表：即各列的水平数不即各列的水平数不(全全)等等1.1.根据研究目的和专业知识，确定实验的因根据研究目的和专业知识，确定实验的因素个数，并明确主要因素素个数，并明确主要因素2.2.根据各因素的水平数，确定选用哪类正交根据各因素的水平数，确定选用哪类正交表（相同水平或混合水平）表（相同水平或混合水平）3.3.再根据因素个数、可能存在的交互作用，再根据因素个数、可能存在的交互作用，确定选多少列即多大的正交表确定选多少列即多大的正交表 利用所选用的利用所选用的正交表正交表及其相应的及其相应的交互作用表交

21、互作用表，将各因素及要分析的，将各因素及要分析的可能存在的交互作用安排进所选正可能存在的交互作用安排进所选正交表各列的过程。交表各列的过程。例：例：表9-21 影响雌螺产卵数的试验因素及其水平水平试 验 因 素温度()含氧量()含水量()pH值ABCD150.5106.02255.0308.0 正交设计的步骤：正交设计的步骤：1.1.正交表的选择：正交表的选择：LL8 8(2(27 7)2.2.表头设计：表头设计：3.3.确定各组的试验条件：确定各组的试验条件：注：此表用于安排各因素于各列注：此表用于安排各因素于各列 列列 号号列号列号1 1 A A2 2 B B3 34 4 C C5 56

22、67 7 D D1 13 32 25 54 47 76 62 21 16 67 74 45 53 37 76 65 54 44 41 12 23 35 53 32 26 61 1表表9-20 9-20 L L8 8(2(27 7)交互作用表交互作用表 A AB B表头设计：表头设计：表表 L L8 8（2 27 7）正交设计表的表头设计）正交设计表的表头设计 因素因素 实施实施 列列 号号 个数个数 比例比例1 12 23 34 45 56 67 74 41/21/2A AB BABABC CD D 表头设计：表头设计：列列 号号实验号实验号1 A2 B3 4 C567 D1111111121

23、112222312211224122221152121212621221217221122182212112表表9-22 9-22 L L8 8（2 27 7）正交设计表）正交设计表 注：此表用于安排实验注：此表用于安排实验确定试验条件：确定试验条件：正交设计的统计分析正交设计的统计分析：方差分析方差分析：总变异的离均差平方：总变异的离均差平方和和SSSS及自由度及自由度分解为各因素不同分解为各因素不同水平间、两因素的交互作用及误差水平间、两因素的交互作用及误差等部分等部分SPSSSPSS的应用：的应用：analyzegeneral linear modelanalyzegeneral lin

24、ear modelunivariateunivariatemodel:custom:model:custom:选择分析的因素选择分析的因素continue okcontinue ok 例题演示例题演示注意注意：最后的：最后的结论结论及及最优配方最优配方的确定的确定 利用利用均匀分布表均匀分布表及其及其使用表使用表，使，使n n次实次实验在实验范围内均匀散布的设计方法验在实验范围内均匀散布的设计方法 与正交设计相比，可大大减少实验次与正交设计相比，可大大减少实验次数数(试验次数试验次数=因素的水平数因素的水平数)，资料用，资料用回回归分析归分析 适用于从适用于从多因素多因素特别是多水平特别是多水平中寻求中寻求最优搭配的医学研究最优搭配的医学研究