试验设计与方差分析(4)

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Saturday, February 22, 2020

重复测量设计

重复测量是指对同一观察对象的同一观察指标在不同的时间点上进行多次测量,用于分析观察指标在不同时间上的变化规律。

这类测量资料在医学研究中比较常见,例如,药效分析中常分析给药后不同时间的疗效比较,由于同一受试对象在不同时点的观测值之间往往彼此不独立,存在某种程度的相关,因此不能满足常规统计方法所要求的独立性假定,使得其分析方法有别于一般的统计分析方法。

最常见的重复测量资料是前后测量设计,如高血压患者治疗前后的血压,其设计与配对设计t检验的试验表达完全相同,但却是两种不同类型的设计,其区别在于:

  1. 配对设计中同一对子的两个试验单位可以随机分配处理,两个试验单位同期观察试验结果,可以比较处理组间差异,而前后测量设计不能同期观察试验结果;

  2. 配对t检验要求同一对子的两个试验单位的观察结果分别与差值相互独立,差值服从正态分布,而前后测量设计前后两次测量的结果通常与差值不独立;

  3. 配对设计用平均差值推断处理作用,而前后测量设计除了分析平均差值外,还可以进行相关回归分析。

重复测量设计大体有两类,一类是对每个人在同一时间不同因子组合间测量,另外一类是对每个人在不同时间点上重复。前者常见于裂区设计,而后者常见于经典试验设计,即包括前测、处理一次或几次后测的情况,后者比前者要多见。不论沿裂区方向还是沿时间点方向重复,个体内因子无一例外的都是重复测量因子。

重复测量设计的特点是一定有个体内因子,但不一定有个体间因子,后者是不同处理组合或不同个体组,而且即使有不同组群(如男性和女性),但人人都经历重复测量,而不是一组接受重复测量,另一组不接受。

具有重复测量的设计,即在给予某种处理后,在几个不同的时间点上从同一个受试对象身上重复获得指标的观测值,有时是从同一个个体的不同部位上重复获得指标的观测值。由于这种设计符合许多医学试验本身的特点,故在医学科研中应用的频率相当高。

如果试验中共有k个试验因素,其中只有m个因素与重复测量有关,则称为具有m个重复测量的k因素设计。重复测量资料来源于同一受试对象的某一观测值的多次重复测量,常见的重复测量数据的基本格式:N个观测个体,g个处理组,X为观测指标,p为重复测量次数。

在对重复测量资料进行方差分析时,除了要求样本是随机的,在处理的同一水平上观测是独立的,及每一水平的测定值都来自正态总体外,特别强调协方差的复合对称性或球形性。因此,在进行重复测量资料的方差分析前,应先对资料的协方差阵进行球形性检验。若满足球形性要求,则直接进行方差分析;若不满足球形性要求,则需对与时间有关的F统计量分子、分母的自由度进行校正,以减少犯I类错误的概率,或直接进行多变量方差分析。

对重复测量试验数据的方差分析,需考虑两个因素的影响:一个因素是处理分组,可通过施加干预和随机分组来实现;另一个因素是测量时间,由研究者根据专业知识和要求确定。因此重复测量资料的变异可分解为处理因素、时间因素、处理和时间的交互作用、受试对象间的随机误差和重复测量的随机误差等5部分。

重复测量设计的优点:每一个体作为自身的对照,克服了个体间的变异,分析时可更好地集中于处理效应,且被试者自身差异的问题不再存在,即减少了一个差异来源;重复测量设计的每一个体作为自身的对照,研究所需的个体相对较少,因此更加经济。

重复测量设计的缺点:滞留效应,前面的处理效应有可能滞留到下一次的处理;潜隐效应,前面的处理效应有可能激活原本以前不活跃的效应;学习效应,由于是逐步熟悉试验,因此研究对象的反应能力有可能逐步得到提高。

对于重复测量资料的分析处理,我们应用较多的是单变量方差分析的一般线性模型方法。在R数据格式中,重复测量资料同一观察单位在各测量点的测量值用一组变量来表示,计算时将这一组变量当作一个整体作为反应变量来处理。