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醫(yī)學(xué)統(tǒng)計(jì)學(xué):第二節(jié) 安全隨機(jī)設(shè)計(jì)資料的方差分析

一、檢驗(yàn)的一般步驟1.資料 這里所要的是類似第七章第一節(jié)三、中所述的成組資料,不過(guò)現(xiàn)在不是兩組而是多組,如下例。例8.1 分泌型免疫球蛋白A(SIgA)是胃腸道分泌液、淚液等外分泌液中的主要免疫球蛋白類,某院研制了“125I-SIgA放射免疫測(cè)定藥盒”,為人體SIgA的檢…

一、檢驗(yàn)的一般步驟

1.資料 這里所要的是類似第七章第一節(jié)三、中所述的成組資料,不過(guò)現(xiàn)在不是兩組而是多組,如下例。

例8.1 分泌型免疫球蛋白A(SIgA)是胃腸道分泌液、淚液等外分泌液中的主要免疫球蛋白類,某院研制了“125I-SIgA放射免疫測(cè)定藥盒”,為人體SIgA的檢驗(yàn)提供了一種簡(jiǎn)便方法。為比較不同批號(hào)藥盒檢驗(yàn)結(jié)果是否一致,該院曾將三批號(hào)各四個(gè)藥盒一一測(cè)定了某一標(biāo)本得結(jié)果如下,試作方差分析。

表8.1 三個(gè)批號(hào)藥盒的SIgA放射免疫測(cè)定值

批號(hào)SIgA含量(μg/ml), X∑XnX∑X2∑X2-(∑X)2/n
11.921.802.082.007.8041.9515.25280.0428
22.212.252.122.579.1542.2921.04590.1153
33.272.752.903.1012.0243.0136.27540.1553
合計(jì)28.97122.41472.57410.3134

2. 分析 從表8.1的測(cè)定結(jié)果可以看出這里有三種變異:

(1)從同一批號(hào)藥盒的四次測(cè)定結(jié)果看,不盡相同,這是組內(nèi)變異。顯然它不是由于批號(hào)不同的影響,而只是由于誤差(如批內(nèi)各藥盒的差異性和測(cè)量誤差等)造成的。

(2)從各批測(cè)定值的均數(shù)來(lái)看,是不相同的,這是組間變異,表明各批藥盒性能質(zhì)量也許對(duì)測(cè)得的結(jié)果有一定影響,也包括誤差的作用。

(3)12次測(cè)定的SIgA含量都不盡相同,有高有低,它們既可能受藥盒來(lái)自不同批號(hào)的影響,也包括組內(nèi)變異,因此稱為總變異。

那么這里各批藥盒測(cè)SIgA均值間的差別,只不過(guò)是抽樣誤差的反映呢?還是藥盒制作質(zhì)量不穩(wěn)定,批間存在顯著差別?為了得出正確的結(jié)論,可進(jìn)行方差分析。方差分析的基本甲思想是:①?gòu)目傋儺愔蟹殖鼋M間變異和組內(nèi)變異,并用數(shù)量表示變異的程度;②將組間變異和組內(nèi)變異進(jìn)行比較,如兩者相差不大,說(shuō)明受批號(hào)不同的影響不大;如果兩者相差較大,組間變異比組內(nèi)變異大得多,說(shuō)明批號(hào)不同的影響不容忽視。下面我們根據(jù)表8.1資料來(lái)計(jì)算這三種變異。

(1)總離均差平方和:即12個(gè)觀察值各與總均數(shù)相差的平方之和,公式為

(8.1)

式中SS總即總離均差平方和,Xij表示第i組的第j個(gè)觀察值,X為全部觀察值的平均數(shù),k是組數(shù)。

本例SS=72.5741-28.972/12=2.6357

(2)組間離均差平方和:即取各組均數(shù)代替該組各觀察值后,它們分別與總均數(shù)相差的平方之和,公式為

(8.2)

(3)組內(nèi)離均差平方和:只要加總各組本身的離均差平方和即得,公式為

(8.3)

由本例計(jì)算結(jié)果可以看出,SS組間+SS組內(nèi)=SS,如2.3223+0.3134=2.6357。因此,算出SS以后再計(jì)算SS組間、SS組內(nèi)兩者中之一個(gè),其余一個(gè)便可通過(guò)減法求得。

將以上求得的幾種變異各除以自由度后得均方。自由度的計(jì)算公式分別為

總變異 N-1 (N為各組例數(shù)之和)( 8.4)

組間變異 K-1      (8.5)

組內(nèi)變異 N-K     。8.6)

組間均方與組內(nèi)均方之比為F值,

F=組間均方/組內(nèi)均方  。8.7)

本例

將以上數(shù)據(jù)列入下面的方差分析表可使人一目了然。

表8.2 方差分析表

變異來(lái)源離均差平方和自由度均 方F
總 變 異2.635711  
組間變異2.322321.161233.368
組內(nèi)變異0.313490.0348 

如果求得的F值小于1或略大于1,也即組間變異與組內(nèi)變異差不多,則關(guān)于不同批藥盒所致影響就不值得注意,反之,若各批均數(shù)間差別甚大,組間變異比組內(nèi)變異大得多,說(shuō)明不能只把它看成為誤差的表面,很可能不同批藥盒的測(cè)定值具有差別。現(xiàn)F值遠(yuǎn)大于1,若等于或大于某α水準(zhǔn)下的臨界F值,便將拒絕檢驗(yàn)假設(shè)H0而接受備擇假設(shè)H1。

本例定α=0.05,查附表8F值表,F(xiàn)0.05(2,9)=4.26。括弧內(nèi)2為求F值時(shí)分子(也即較大均方)的自由度,9為分母的自由度,今F=33.368,遠(yuǎn)大于此臨界值4.26,故P<0.05,說(shuō)明不同批藥盒的影響不容忽視,各批藥盒測(cè)定的SIgA值相差顯著。

二、多個(gè)均數(shù)間的兩兩比較

經(jīng)方差分析(即F檢驗(yàn)),若各組均數(shù)之間差別不顯著,則到此為止,不必作進(jìn)一步統(tǒng)計(jì)學(xué)處理了。當(dāng)F檢驗(yàn)結(jié)果為相差顯著時(shí),這只是對(duì)各組均數(shù)的整體而言,至于哪些均數(shù)間的差別顯著,哪些不顯著,還要作如下進(jìn)一步分析。

本例檢驗(yàn)結(jié)果為相差顯著,這里我們先用較為簡(jiǎn)單而實(shí)用的最小顯著差數(shù)法來(lái)比較三組中每?jī)山M均數(shù)間的差別是否顯著,然后介紹q值法。

1.最小顯著差數(shù)法

(1)計(jì)算最小顯著性差數(shù)Dα,ν

Dα,ν=t, (8.8)

式中t,由附表3查得,查時(shí)自由度ν用方差分析表中組內(nèi)變異的自由度,本例為9;α即顯著性水準(zhǔn),常用0.05或0.01,本例查得兩個(gè)臨界t值即t0.05,9=2.262,t0.01,9=3.250。標(biāo)準(zhǔn)誤 的計(jì)算公式是

     (8.9)

S2組內(nèi)也即表8.2中的組內(nèi)均方(也可叫誤差均方)0.0348。nA、nB為所比較的兩組的例數(shù),本例各組例數(shù)都為4,F(xiàn)將數(shù)據(jù)代入式(8.9)、(8.8)求得

(2)用上述的最小顯著性差數(shù)與每?jī)山M均數(shù)的相差數(shù)比,若后者大于前者(臨界值),便相差顯著,若小于前者,為相差不顯著,F(xiàn)將兩均數(shù)間的比較結(jié)果列于下表。

表8.3 均數(shù)間兩兩比較

A與B(批號(hào))∣XA-XB界 值P值
D0.05D0.01 
1與20.340.2980.429<0.05
1與31.060.2980.429<0.01
2與30.720.2980.429<0.01

注:表中XA-XB兩側(cè)的直杠是絕對(duì)值符號(hào)。

3.統(tǒng)計(jì)結(jié)論:各批間均在α=0.05水準(zhǔn)處相差顯著,又第3批與第1、2兩批比,P<0.01,說(shuō)明各批藥盒對(duì)SIgA的檢測(cè)效果不一致,批號(hào)3遠(yuǎn)高于批號(hào)2與1。

上面介紹的多個(gè)均數(shù)間兩兩比較的方法雖較簡(jiǎn)便,精確性有時(shí)不足,尤其當(dāng)比較的均數(shù)不是在三個(gè)而是更多,或各樣本含量不相等時(shí)應(yīng)用也較麻煩。下面介紹查臨界q值而不查t值的另一比較方法。

2.q值法

(1)將表8.1中三個(gè)均數(shù)自大至小排列得:

 第3批第2批第1批
SIgA平均值,X(μg/ml)3.012.291.95
秩次123
樣本含量,n444

(2)用組內(nèi)均方與平均每組例數(shù)n0求出標(biāo)準(zhǔn)誤,然52667788.cn/kuaiji/后與由附表9中查到的臨界q值相乘,即可列出比較表加以比較。下面是求平均例數(shù)的公式。

(i=1,2,…,k)  (8.10)

此例 

本例各組樣本大小相等,均為4,本無(wú)須用上式計(jì)算,但若各組大小不等時(shí)就得用上式求平均例數(shù)。

標(biāo)準(zhǔn)誤公式為

(8.11)

此例 

表8.4 均數(shù)間兩兩比較

A與B
(秩次)
組數(shù)α∣XA-XBQ0.05(a,ν)Sχν見(jiàn)組內(nèi)變異一行
P值
3與220.340.299<0.05
3與131.060.369<0.05
2與120.720.299<0.05

現(xiàn)將上表欄目自左至右一一說(shuō)明如下:

表內(nèi)左側(cè),均數(shù)大小秩次3與2比,即相鄰兩組相比,故組數(shù)a等于2。同樣,第三行的2與1比,因2與1相鄰,a也是2,3與1比則由3到1組數(shù)有3,a等于3。關(guān)于查附表9中的q值,一方面根據(jù)該表上端橫行a的數(shù)52667788.cn/yaoshi/字,另方面根據(jù)表左側(cè)直行的ν,也即方差分析表中組內(nèi)(或誤差)項(xiàng)的自由度(本例為9)來(lái)查。表內(nèi)q值有上、下兩行數(shù),若定α為0.05,查上行,α為0.01則查下行。

就本例言,用兩種方法作均數(shù)間兩兩比較,其結(jié)論完全一致。

例8.2 下表為用動(dòng)物研究白血病時(shí)測(cè)得的鼠脾DNA(脫氧核糖核酸)含量,現(xiàn)作方差分析,比較四個(gè)不同病情組的均數(shù)相差是否顯著。

表8.5 鼠脾DNA含量測(cè)定值(mg)

正常組患自發(fā)性
白血病組
患移植白血病總 計(jì)
甲組乙組
12.310.89.39.5
13.211.610.310.3
13.712.311.110.5
15.212.711.710.5
15.413.511.710.5
15.813.512.010.9
16.914.812.311.0
17.3 12.411.5
  13.6 
∑Xij
j
119.889.2104.484.7398.1
ni879832
Xi14.9812.7411.6010.5912.44
∑X2ij
j
1815.961147.321223.58899.155086.01
SSi21.9610.6612.542.3947.55

1.作檢驗(yàn)假設(shè)H0:μ1234,H1:各總體均數(shù)不都相等。α=0.01。

2.用表8.5下部數(shù)字計(jì)算離均差平方和:簡(jiǎn)法是先求校正數(shù)C=(∑X)2/N=398.12/32,再求

SS:5086.01-(398.1)2/32=133.40

SS組間:(119.8)2/8+(89.2)2/7+(104.4)2/9+(84.7)2/8-(398.1)2/32=85.85

SS組內(nèi):133.40-85.85=47.55

3.列出方差分析表

表8.6 方差分析表

變異來(lái)源自由度離均差平方和均方F
總 計(jì)31133.40  
組 間385.8528.6216.48
組 內(nèi)2847.551.70 

4.查F值表,下結(jié)論。看附表8(3),根據(jù)求F值時(shí)組間均方較大,于是用其自由度3及組內(nèi)均方的自由度28查得F0.01(3,28)=4.57,今F=16.84>F0.01(3,28)=4.57,故在α=0.01水準(zhǔn)處相差顯著,P<0.01。四組鼠脾的DNA含量不等。(注:F小于1時(shí)無(wú)須查表)。

5.為詳細(xì)分析每?jī)山M間的相差情況,作兩兩比較如下。(因各組例數(shù)不等又組數(shù)較多,故用Q值法比較)。

(1)將四組均數(shù)按大小排列:

正常組白發(fā)
白血病組
患移植白血病
甲組乙組
DNA平均含量(mg)14.9812.7411.6010.59
秩次1234
樣本含量,n8798

(2)求平均例數(shù)與標(biāo)準(zhǔn)誤:由式(8.10)與式(8.11)計(jì)算得

(3)列表比較:

表8.7 均數(shù)間兩兩比較

A與b
(秩次)
組數(shù)a∣XA-XB界 值P值
q0.05Sχq0.01Sχ 
4與321.011.361.86>0.05
4與232.151.652.14<0.01
4與144.391.832.32<0.01
3與221.141.361.86>0.05
3與133.381.652.14<0.01
2與122.241.361.86<0.01

注:本例組內(nèi)均方的自由度為28但q值表中左側(cè)無(wú)28,故用鄰近的較小自由度20,此外也可用內(nèi)插法求出γ為28的q值。

比較結(jié)果,除患移植性白血病甲、乙組間;甲組與自發(fā)性白血病組間(即按均數(shù)大小秩次3與4、3與2間)相差不顯著外,余均在α=0.01水準(zhǔn)處相差顯著,說(shuō)明正常鼠脾DNA含量最高,患移植白血病乙組的最低。

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