第六章 实验流行病学

第六章 实验流行病学（ Experimental Epidemiology）

流行病学教研组流行病学教研组

流行病与卫生统计学教研室流行病与卫生统计学教研室

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吕筠　实验流行病学　课件　实验流行病学　课件

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实践是检验真理的唯一标准实践是检验真理的唯一标准

实验是验证假设的最好方法实验是验证假设的最好方法

流行病学的主要研究方法流行病学的主要研究方法

流行病学方法

观察法

描述性研究横断面调查监　　　测生态学研究

分析性研究分析性研究 病例对照研究队列研究

实验法 实验性研究临床试验现场实验社区干预实验

理论法 理论流行病学研究

产生假设

检验假设

验证假设

一 简史

二 实验的概念

三 实验流行病学研究的基本原则

四 实验流行病学研究的分类

五 实验流行病学的用途

第一节 概 述

James Lind (1716-James Lind (1716-1794)1794)

VitC 缺乏 – 坏血病 (1747)(1747)

开创了流行病学临床试验的先河开创了流行病学临床试验的先河

Edward Jenner (1749-Edward Jenner (1749-1823)1823)

(1796)(1796)

接种牛痘

预防天花

开创了主动免疫的先河开创了主动免疫的先河

18世纪 经典的人群流行病学实验研究

James Lind vitC与坏血病

George Baker 铅与腹绞痛

Golderger vitB与糙皮病

1919年 实验流行病学方法 英国 Topley

1979年前后中国医学科学院卫生研究所在东北某地区

开展向人群投硒制剂以预防克山病的现场实验

苏德隆等在启东进行的水源与肝癌发生关系的类实验

（ quasi-experiment）

观察： 对自然现象或过程的“袖手旁观”。

实验： 对研究对象有所“介入”或“安排”

概 念概 念

------- 在一定的条件下，研究者有意改变一个或多

个因素，并前瞻性地观察其效应的研究。

实验流行病学是按随机分配的原则，将实验人群分为实验组实验组和对照组对照组；

实验组人为地给予某种因子或措施；

对照组不给予所研究的因子或措施；

随访观察一定的时间，比较两组人群的结局。

定义

1.对照的原则

2.随机的原则

3.盲法的原则

4.重复的原则

基 本 原 则基 本 原 则

按研究场所划分按研究场所划分现场试验（ field trial）

临床试验（ clinical trial）

按所具备设计的基本特征划分按所具备设计的基本特征划分真实验（ true experiment）

类实验（ quasi-experiment）

即半实验（ semi-experiment）

分 类分 类

实验组有效

研究对象未患病者

对照组

研究方向

时　间

无效

有效

无效

干预措施

随机化

个体分组试验研究的结构示意图

出现结局

选择社区未出现结局

出现结局

未出现结局

测定基线值

现场随机对照试验研究的结构示意图

随机选择实验组和对照组

实验组（有干

预）

对照组（无干预）

实验组有效

研究对象 病 人

对照组

研究方向

时　间

无效

有效

无效

干预措施

随机化

临床试验研究的结构示意图

安慰剂

真实验（ true experiment ）

具备这四个基本特征的实验称为真实验，以下四个特点也是实验性研究的基本特征实验性研究的基本特征

1 ．是实验法非观察法，前瞻性研究

2 ．必须遵循随机化原则

3 ．必须设立严格的平行对照组

4 ．必须有干预措施治疗某病的药物预防某病的疫苗人群干预的方法

即半实验（ semi-experiment ）

不设对照组

自身前后，已知的不给该项措施的结果比较

设对照组 ( 分组不随机 )

类实验（ quasi-experiment ）

预防措施的效果评价；

评价某种新的药物、疗法或生物制剂的效果；

验证疾病的病因；

医疗保健措施的评价。

用途

一 定义

二 原理

三 设计基本原则与步骤

四 资料收集与分析

五 伦理问题

六 应用实例

第二节 现场试验研究

以正常人为研究对象，以个体或群体为研究单位，将研究对象随机分为实验组和对照组；

将所研究的干预措施给予实验组人群；

随访观察一段时间并比较两组人群的结局，如发病率、死亡率、治愈率、健康状况改变情况等，对比分析两组之间效应上的差别，从而判断干预措施的效果的一种前瞻性、实验性研究方法。

定 义

研究对象是正常人，即未患所研究疾病的人群

选择可比性的社区随机分为实验组和对照组

给实验组施加干预措施

随访取得两组人群的结局资料

判断或评价干预措施的效果

原 理

出现结局

选择社区未出现结局

出现结局

未出现结局

测定基线值

现场随机对照试验研究的结构示意图

随机选择实验组和对照组

实验组（有干

预）

对照组（无干预）

（一）明确研究目的

（二）研究对象的选择

（三）确定实验现场

（四）样本大小的确定

（五）随机化分组

（六）设立对照

（七）盲法的应用

基本原则与步骤

（一）明确研究目的（二）研究对象的选择

• 对干预措施有效对干预措施有效• 预期发病率较高预期发病率较高• 干预对其无害干预对其无害• 能将实验坚持到底能将实验坚持到底• 依从性依从性 (compliance)(compliance)好好

主要原则主要原则

人口稳定，流动性小，并有足够的数量

疾病发病率在该地区较高而且稳定

评价疫苗免疫学效果时，选择近期内未发生该疾病流行的地

区

有较好的医疗卫生条件

领导重视，群众愿意接受，协作条件较好

（三）确定实验现场

（四）样本量确定

干预措施实施前、后研究人群中研究事件的发生率

第 I型（ α ）错误出现的概率

第 II型（ β ）错误出现的概率

单侧检验或双侧检验

研究对象分组数量

样本量计算： 非连续变量样本量计算：

221

22211

)(

])1()1()1(2[

pp

ppppZppZN

p1：对照组发生率

p2：试验组发生率：（ p1+p2 ） /2

Zα: 为 α水平相应的标准正态差

Zβ：为 1-β水平相应的标准正

态差N ：为计算所得一个组的样本大

小

p

例如：假设对照组的发病率为 40% ，通过干预措施发病率下降到20% 才有推广使用价值，规定 α 水平为 0.01， β 水平为 5% ，把握度（ 1-β ）为 95% ，本研究为双侧检验，问两组要观察多少人？

p1=40%， p2=20%， Zα和 Zβ 可从表 6-1 查出，双侧检验时 Zα为 2.58， Zβ为 1.64,

p=（ 0.4+0.2） /2=0.3 代入公式 :

2

2

)2.04.0(

])8.0(2.0)6.0(4.064.1)7.0)(3.0(258.2[

N

18404.0

34.7

04.0

]04.167.1[ 2

即每组需观察 184 例

不同α或 β水平的 Zα和 Zβ值的标准正态差简表

α(或 β)单侧检验时 Zα( 或

Zβ*)

双侧检验 Zα

0.005 2.58 2.81

0.010 2.33 2.58

0.025 1.96 2.33

0.05 1.64 1.96

0.1 1.28 1.64

0.2 0.84 1.28* 双侧检验时 Zβ与单侧检验时相同

查表法确定样本大小，首先要提供以下数据：两组中较小率为： 20%两组间率之差为： 20%α=0.01 ， β=0.05用查表法（参考有关统计书），每组需样本大小为 180例，与公式计算法近似。

连续变量样本量计算：

2

22)(2

d

ZZN

a

σ：为估计的标准差

d ：为两组连续变量均值之差

Zα、 Zβ和 N 所示意义同上述计数资料的计算

公式

以上公式适用于 N≥30时

例如：假设合理膳食可以使干预组的血清胆固醇水平较对照组降低 15mg/dl ，已知从其他资料获得胆固醇方差为（ 25mg/dl ） 2 ，本设计为双侧检验， α水平为 0.05 、 β为 0.05，试计算各组样本数。

σ为 25 ， d 为 15，从表 6 － 2 查得 Zα为 1.96 ， Zβ为 1.64，代入公式：

7215

25)64.196.1(22

22

N 即每组需观察 72 例

查表法，首先计算

6.025

200215

S

tXcX

每组需样本大小为 74 例，与公式计算法接近

（五）随机化分组

简单随机分组（ simple randomization）

分层随机分组（ stratified randomization）

整群随机分组（ cluster randomization）

区组随机分组（ block randomization）

例如：将 10名研究对象随机分配到甲（实验组）、乙（对照组）两组，先将研究对象编号，然后从随机排列表中任选一行数字，取个位数字后，排列如下：

研究对象编号 1 2 3 4 5 6 7 8 910

随机数字 6 1 5 4 0 7 8 3 9 2

所属组别 甲 乙 乙 甲 甲 乙 甲 乙 乙 甲

简单随机分组 （ simple randomization ）

优点：简单易行，随时可用，不需要专门工具。

缺点：要求在随机分组前抄录全部研究对象的名单并编号。

因此，研究对象数量大时，工作量大，有时难以做到。 但它是理解和实施其他随机分组方法的基础 。

简单随机分组 （ simple randomization ）

分层随机分组 （ stratified randomization ）

例如：根据实验研究要求，

将年龄分成 3 层，即 0 ～ 4 岁、 5 ～ 9 岁、 10～ 14岁；

性别分成 2 层，即男性、女性；

种族分成 3 层，即汉族、壮族、其他族。

共计分成 18层，每层研究对象随机分成 4 组，

即甲乙乙甲、

乙甲乙甲、

甲乙甲乙、

乙甲甲乙等组。

优点 : 增加组间均衡性，提高实验效率

缺点 : 分组前需要有一个完整的研究对象名单

这一点上具有简单随机分组同样的缺点

分层随机分组 （ stratified randomization ）

整群随机分组 （ cluster randomization ）

优点 : 实际工作中易为群众所接受， 抽样和调查比较方便，节约人力、物力， 因而多用于大规模调查。

缺点 : 抽样误差大，分析工作量大。

以一个家庭，一个学校，一个单位或一个社区为单位随机分组

区组随机分组（ block randomization ）

根据受试者某个特征，将其分成内含相等例数的若干区组，而后，区组内的受试者被随机分配至不同组别。

例如：将２４名病人作区组随机分配至甲、乙两组。其步骤为： （ 1 ）令每一区组内含４名受试者，则有下列六种排列方式：

（ 2 ）查随机数字表，得１－６这六个数字的随机顺序，若为５，３，２，１，６，４，则最早进入研究的４名病者按上述第５种方式被分配至甲、乙组，即依次为乙、甲、乙、甲。其余类推。

①－－甲甲乙乙

②－－甲乙甲乙

③－－甲乙乙甲

④－－乙乙甲甲

⑤－－乙甲乙甲

⑥－－乙甲甲乙

区组随机分组（ block randomization ）

优点（ 1 ）有利于保持组间例数的均等（ 2 ）有利于保持组间的可比性。

缺点------- 区组随机化的主要缺点在于如果不是双盲试验，同时研究者又知道区组的含量大小，则很容易事先知道每一区组最后一名病人的分组去向，而导致选择性偏倚或期望性偏倚的产生。

意义意义：　　 1 ．科学地评定药物疗效或措施效果

　　 2 ．排除非研究因素对疗效的影响

　　 3 ．确定治疗的毒副反应的可靠方法

（六）设立对照

原则原则：1 对照组必须在开始试验前设计好；

2 同时期对照比不同期对照组好，本单位比外单位好；

3 除了处理因素外，其他条件均应与实验组一致；

（六）设立对照

影响现场随机对照试验效应的因素：影响现场随机对照试验效应的因素：• 不能预知的结局• 霍桑效应（ Hawthorne effect） • 安慰剂效应（ placebo effect） • 潜在的未知因素的影响

方式：方式：

• 安慰剂对照• 自身对照 • 交叉对照 • 其他

（七）盲法的应用

单盲（ single blind ）

研究对象不知分组情况

双盲（ double blind ）

研究对象、研究者不知分组情况

三盲（ triple blind ）

研究对、研究者、负责资料收集者不知分组情况

盲法 (blinding)

减少研究对象和研究者主观因素的影响 ( 信息偏倚 )

博君一笑：双盲实验

单盲(single blind)

双盲(double blind)

三盲(triple blind)

三盲研究

开放试验(open trial)

不可能实现盲法☻外科手术☻锻炼☻饮食☻教育☻……

我猜我猜我猜猜猜

即使是药物也很难完全做到盲法☻药物的气味、味觉、感觉☻副作用☻检验结果☻对药物进行化验

（一）偏倚的防止

1 ．排除（ exclusions ）

经过排除后，其结果可减少偏倚，但可能影响研究结果的外推（ extrapolation of the result），被排除的研究对象愈多，结果推广的面愈小。

资料收集与分析

研究对象研究对象

不合格（ ineligibility）

不依从（ noncompliance）

失 访（ loss to follow-up ）

2 ．退出（ withdrawal ）

实验组成员不遵守干预规程，相当于退出（ drop-out）实验组，对照组成员不遵守对照规程而私下接受干预规程，相当于加入（ drop-in）

实验组。研究对象不遵守实验规程的原因一般有以下几种：①实验或对照措施有副作用。②研究对象对实验不感兴趣。③研究对象的情况发生改变，如病情加重等。

（二）实验效果的主要评价指标

用定性指标并尽可能用客观定量指标

测定方法有较高的真实性和可靠性

易于观察和测量，易为受试者所接受

有效率（ effective rate ）

评价治疗措施效果主要指标

治愈率（ cure rate ）

病死率（ case fatality rate ）

生存率（ survival rate ）

有效率（ effective rate ）

%100治疗的总例数治疗有效例数有效率

治疗有效例数应包括治愈人数和好转人数

治愈率（ cure rate ）

%100治疗人数治愈人数治愈率

生存率（ survival rate ）

%100N

NN

年的病例数随访满年存活的病例数年生存率

病死率（ case fatality rate ）

%100某病受治疗人数因某病死亡人数病死率

评价预防措施效果主要指标

保护率 （ protective rate， PR ）

效果指数 (index of effectiveness, IE)

抗体阳性率

抗体几何平均滴度（ GMT ）

保护率 （ protective rate， PR ）

%100)(

)()(

率或死亡对照组发病率或死亡实验组发病率或死亡对照组发病保护率

%1001

96.1%951

114

1

22

2

222

1

n

QP

P

p

n

QP

PPRPR 可信限

n1、 n2 分别为对照组、实验组人数

P1、 P2 分别为对照组、实验组发病率

Q1=1- P1， Q2=1- P2

效果指数 (index of effectiveness, IE)

率或死亡实验组发病率或死亡对照组发病效果指数

)(

)(

抗体阳性率

%100检查总人数抗体阳性人数抗体阳性率

抗体几何平均滴度（ GMT ）

C：编码滴度为零时，血清稀释倍数之倒数。M: 编码滴度之算术均数。

CmAntiGMT )log( 2或或 CGMT m 2

治疗措施效果的考核还可用病情轻重、病程长

短及病后携带病原状态、后遗症发生率、复发率

等指标评价

考核病因预防可用疾病发病率、感染率等指标

评价

慢性非传染性疾病评价指标常用中间结局变量：

人群认知、态度、行为改变

行为危险因素变化，如控烟、合理膳食、体育运动、

高危人群的生活指标等

生存质量变化，包括生理机能、心理机能、社会机能、

疾病症状体征、对健康感受和满意程度等主要方面

干预投入、产出效果评价等

必须具有科学依据

公平选择研究对象

获得社区知情同意

对照组选择和“善后”处理

较长试验期限导致“延误”问题

五 伦 理 问 题

例 1 ：国产血源性乙型肝炎疫苗接种后 9 年效果评价 （中华预防医学杂志， 1998； 32（ 4 ）： 205 ）。

（一）目的 采用随机、双盲、有安慰剂对照的试验方法，观察乙型肝炎疫苗接种后 9 年效果。

应 用 实 例

（二）对象

（三）方法1 、分组 2 、预防接种 3 、随访和实验室检测

1986年 4 月，经筛检 ALT（丙谷转氨酶）在正常范围， HBV3项指标（ HBsAg、抗 -HBs和抗 -HBc）全阴性者 180名，单项抗 -HBs低水平（ 2.1≤S/N＜ 10＝者 85名，共 265名 5 ～ 9 岁小学生作为研究对象。

（四）观察的标准1 、 HBV感染2 、病例诊断3 、自然加强4 、无、弱应答

（五）结果1 、资料的完整性2 、疫苗接种效果3 、在 9 年观察期间，疫苗和安慰剂组 HBV感染情

况

第三节 临床随机对照试验

一 定义

二 原理

三 基本特征

四 基本原则

五 主要用途

六 注意的问题

七 应用实例

一 定 义

在病人中进行的，通过比较治疗组与对照

组的结果而确定某项治疗或预防措施的效果

与价值的一种前瞻性研究。

二 原 理

选定患有某种疾病的病人 ( 住院病人或非住院

病人），将他们随机分为两组，实验组和对照组，

对实验组病人施加某种预防或治疗的干预措施后，

随访并观察一段时间，比较两组病人的发病结局，

从而判断干预措施的预防或治疗效果。

一种特殊的前瞻性研究

干预（ intervention）

必须有正确的实验设计

在人体上进行的，不能强迫病人

三 基 本 特 征

四 基 本 原 则

对照

随机化分组

盲法试验

常使用标准疗法对照

五 主 要 用 途

治疗研究

诊断研究

筛检研究

预后研究

病因研究

（一）临床依从性

六 注 意 问 题

（二）临床不一致性

（三）安慰剂效应

（四）向均数回归

指患者执行医嘱的程度

（一）临床依从性（ clinical compliance ）

衡量依从性方法：

％处方的药物总量

量患者已经服用的处方药依从性＝ 100

计数患者剩余的处方药量

药物水平测定方法

从治疗预期效果分析依从性

直接询问病人

低依从性原因：

患者文化素养及医学知识限制

疾病症状不明显或轻微，尚未影响患者健康、生活和工作

因经济和社会原因不能接受有效、系统的治疗

某些治疗过于复杂或疗程太长，患者不易坚持

某些措施毒副作用太大，使患者终止治疗

医务人员服务态度差或技术水平低，患者不满或失去信任

就诊手续繁杂困难

宣教患者遵从医嘱并提高医生人际能力

防治措施简单方便

提高医疗技术水平 ，用药高效低副作用

将服药习惯的养成与日常生活行为结合起来

改进管理，改善医疗服务质量

社会和家庭的关怀和支持

改善依从性措施：

（二）临床不一致性（ clinical disagreement ）

临床医生在工作中经常发生临床意见分歧即同一医生对同一病人连续几次检查结果，或者不同医生对同一病人的检查结果不相符。

临床不一致性产生原因：

被检查者生理、心理反应差异

检查者感觉的生理变异 检查仪器、方法、试剂问题，检查环境中的干扰因素等

减少临床不一致性措施：

创造良好的诊断环境 加强责任心，建立良好的医患关系

加强人员训练，熟练掌握操作技术

统一检查、诊断和治疗标准

复查病史，引用资料，避免主观臆断、先入为主

邀请专家和不了解病情的医生会诊，核实资料的准确性 用辅助检查技术

进行复查

测 量 值测 量 值

（三）安慰剂效应

（四）向均数回归

目的

病例选择

分组

举 例举 例

治疗方法

疗效判定

举 例举 例

疗效评价

不良反应

举 例举 例

结论举 例举 例

第四节 类 实 验

一 定义

二 原理

三 研究设计

四 实例

一 定 义

完全流行病学实验必须有四个基本特征：对照随机抽样分组干预措施随访观察结局

如果一项实验研究缺少其中一个或几个特征，这种实验就称为类实验。

二 原 理

与真实验研究基本一致

与真实验研究不同的是：

• 有对照组但没有随机分配

• 没有对照组，作自身前后对照或与已知结果作比较

三 研 究 设 计

（一）不对等比较组设计

就是没有随机分配的平行对照设计

（二）分组方法 组间分配不是随机的，采用的是配比技术。

个体配比

成组配比

整群配比

（三）样本大小

参照社区实验中陈述的样本大小公式

（四）干预随访注意 1 、如何确定随访结局

2 、避免组间“沾染”（串组）

（五）资料分析方法

同现场试验一样

（ 1 ）个体配比 基本情况（如年龄、性别、教育程度和社会经济地位等）相似的两个（配比）或多个（配伍）个体，人为地分配进入实验组和对照组。 这种分组方法在选择合适的配比个体上比较困难。

（ 2 ）成组配比 使配比组间在各基本情况的频率分布上相似，如组间年龄构成比或平均收入水平相近。 这种分组方法不能保证基本情况的联合分布式相似，如中年组并且高收入水平者的频率在组间相近，但这种方法较为方便。

（ 3 ）整群配比 分配方法同成组配比相似，只是分组单位不是个体而是群组。

四 实 例

中国改水降氟措施效果评价科研组，于 1998 年报道中国改水降氟措施效果评价和标准研究，就是一个没有对照组（为自身前后对照）的类实验。

在全国饮水型地方性氟中毒流行严重的 10省市，整群抽样调查了 1960个改水降氟工程，约占全部工程的 10%。评价指标一是改水降氟设施出口处水氟浓度≤ 1mg/L，二是改水后出生并饮用该水 8 年以上的 8 ～ 12岁儿童其氟斑牙患病率≤ 30%。

结果表明：

改水前氟浓度平均为 3.1mg/L, 改水后尚有20%以上的工程超过卫生标准 1mg/L；

随着改水年数的延长，水氟浓度有增加趋势；

改水前儿童氟斑牙患病率为 81.90%，改水后降为 34.84%。

改水氟斑牙患病情况

无 极轻 轻度 中度 重度 合计

前 1310（a ）

1992（b ）

2154（ c ）

1218（ d ）

566（ e ） 7240

后 3587（ f ）

765（ g ）

737（ h ）

312（ i ）

103（ j ） 5504

合计 4897 2757 2891 1530 669 12744

改水 工程数 检查人数

氟斑牙患病率（ % ）

极轻 轻度 中度 重度 合计

前 47 7240 27.51 29.75 16.82 7.82 81.90

后 108 5504 13.90 13.39 5.67 1.88 34.84

改换水源工程后 8～ 12岁人群氟斑牙分级患病率变化情况

第五节 与队列研究优缺点的比较

一 优点

二 缺点

一 优 点

不存在回忆误差带来的信息偏倚

研究对象来自同一总体的随机抽样样本，且随机分为

实验组和对照组，均衡性好

实验组和对照组同步比较，最终作出肯定性的结论，

因而检验假设的能力比队列研究强

有助于了解疾病自然史，并且可以获得一种干预与多

种结局的关系

二 缺 点

要求高、控制严、难度大

研究费时间、费人力、花费高

受干预措施适用范围约束，影响结果推论到总体

依从性不易做得很好，影响实验效应的评价

长期的随访造成的失访难以避免

涉及医德问题