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INTRODUZIONE AI DISEGNI SPERIMENTALI - 1.1 Marta Blangiardo, Imperial College, London Department of Epidemiology and Public Health [email protected] con la collaborazione di Giovanni Corrao, Dipartimento di Statistica, UNIMIB 1. Introduzione ai disegni sperimentali 2. Un carattere quantitativo misurato in un campione: elementi di statistica descrittiva e inferenziale 3. Confronto tra medie di due campioni indipendenti e appaiati 4. Confronto tra medie di più campioni indipendenti BIOSTATISTICA 5. Analisi della regressione lineare 6. Confronto tra proporzioni di due o più campioni indipendenti

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Page 1: BIOSTATISTICA · Marta Blangiardo, Imperial College, London Department of Epidemiology and Public Health ... Dipartimento di Statistica, UNIMIB 1. Introduzione ai disegni sperimentali

INTRODUZIONE AI DISEGNI SPERIMENTALI - 1.1

Marta Blangiardo, Imperial College, London

Department of Epidemiology and Public Health

[email protected]

con la collaborazione di Giovanni Corrao, Dipartimento di Statistica, UNIMIB

1. Introduzione ai disegni sperimentali

2. Un carattere quantitativo misurato in un campione: elementi di statistica descrittiva e inferenziale

3. Confronto tra medie di due campioni indipendenti e appaiati

4. Confronto tra medie di più campioni indipendenti

BIOSTATISTICA

5. Analisi della regressione lineare

6. Confronto tra proporzioni di due o più campioni indipendenti

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INTRODUZIONE AI DISEGNI SPERIMENTALI - 1.2

1. INTRODUZIONE AI DISEGNI

SPERIMENTALI

Marta Blangiardo

Imperial College, London

BIOSTATISTICA

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INTRODUZIONE AI DISEGNI SPERIMENTALI - 1.3

L’OGGETTO DEGLI ESPERIMENTI

Causa -relazione funzionale

fattore sperimentaleF

effetto E

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INTRODUZIONE AI DISEGNI SPERIMENTALI - 1.4

UNA LEGGE FISICA

Principio fondamentale della dinamica :

l’accelerazione a subita da un corpo di massa

nota m è proporzionale alla forza F che agisce

su di essa

amF ••••====

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INTRODUZIONE AI DISEGNI SPERIMENTALI - 1.5

L’OGGETTO DEGLI ESPERIMENTI

Forza(fattore sperimentale)F

Accelerazione(effetto)

E

Relazionefunzionale

Principio fondamentale della dinamica

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INTRODUZIONE AI DISEGNI SPERIMENTALI - 1.6

UN ESPERIMENTO FISICO

a1 a2 a3effetti

F1 F2 F3

a1

a2

a3

m m munità sperimentale

F1 F2 F3livelli del fattore sperimentale

Page 7: BIOSTATISTICA · Marta Blangiardo, Imperial College, London Department of Epidemiology and Public Health ... Dipartimento di Statistica, UNIMIB 1. Introduzione ai disegni sperimentali

INTRODUZIONE AI DISEGNI SPERIMENTALI - 1.7

NOTA TERMINOLOGICA

FATTORE SPERIMENTALE

fattore in studio

LIVELLI DEL FATTORE SPERIMENTALE

(O TRATTAMENTO)

modalità del fattore in studio alle quali

vengono sottoposte le unità sperimentali

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INTRODUZIONE AI DISEGNI SPERIMENTALI - 1.8

UN ESPERIMENTO FISICO

F1 F2 F3livelli del fattore sperimentale

m m m

a1 a2 a3

unità sperimentale

effetti

F1 F2 F3

a1

a2

a3

errori di misura

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INTRODUZIONE AI DISEGNI SPERIMENTALI - 1.9

livelli del fattore sperimentale

unità sperimentali m

m

m m

m

m m

m

m

F1 F2 F3

replicazioni

effetti a1 a1

a1

a2 a2

a2

a3 a3

a3

UN ESPERIMENTO FISICO

F1 F2 F3

a1

a2

a3

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INTRODUZIONE AI DISEGNI SPERIMENTALI - 1.10

L’effetto in studio differisce tra le replicazioni anche quando le condizioni

sperimentali sono mantenute rigorosamente costanti dal ricercatore

REPLICAZIONIinsieme delle unità sperimentali sottoposte allo stesso livello del fattore sperimentale

(stesse condizioni sperimentali)

NOTA TERMINOLOGICA

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INTRODUZIONE AI DISEGNI SPERIMENTALI - 1.11

F1 F2

µ1

Ipotetica distribuzione dell’effetto nella popolazione 1

Ipotetica distribuzione dell’effetto nella popolazione 2

µ2

POPOLAZIONE 2POPOLAZIONE 1

IN TERMINI DI POPOLAZIONI: situazione non osservabile

10

1512

16

20

Campione 1

22

1812

25

10

Campione 2

Effetto di interesse

IN TERMINI CAMPIONARI: situazione osservabile

y2

y1

Campione estratto dalla popolazione 1

Campione estratto dalla popolazione 2

Effetto di interesse osservato

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INTRODUZIONE AI DISEGNI SPERIMENTALI - 1.12

L’OGGETTO DEGLI ESPERIMENTI

Farmaco(fattore sperimentale)F

Tossicità(effetto)

E

causa

Si vuole studiare la tossicità di un farmaco usando come “modello”sperimentale colonie di cellule coltivate in capsule

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INTRODUZIONE AI DISEGNI SPERIMENTALI - 1.13

UN ESPERIMENTO BIOLOGICO

Si vuole studiare la tossicità di un farmaco usando come “modello”sperimentale colonie di cellule coltivate in capsule� FATTORE SPERIMENTALE:� LIVELLI DEL FATTORE SPERIMENTALE:� UNITÀ SPERIMENTALE:� REPLICAZIONI:� EFFETTO MISURATO:

farmaco

dosi crescenti del farmaco (es. 3 dosi)

una colonia di cellule

n colonie per ogni livello del fattore (es. 3 colonie)

% cellule morte per ogni colonia

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INTRODUZIONE AI DISEGNI SPERIMENTALI - 1.14

livelli del fattore sperimentale

unità sperimentali

effetti

c

c

c c

c

c c

c

c

l1 l1

l1

F1 F2 F3

l2 l2

l2

l3 l3

l3

F1 F2 F3

l1

l2

l3

UN ESPERIMENTO BIOLOGICO

Perché, a parità di condizioni sperimentali, l’effet to

risulta così variabile?

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INTRODUZIONE AI DISEGNI SPERIMENTALI - 1.15

� Condizioni in cui si svolge l’esperimento:

- variabilità analitica:

- strumento di misura

- sperimentatore

� Eterogeneità delle unitàsperimentali:

- variabilità biologica

PERCHE’A PARITA’ DI CONDIZIONISPERIMENTALI L’EFFETTO RISULTA

COSI’ VARIABILE?

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INTRODUZIONE AI DISEGNI SPERIMENTALI - 1.16

(QUASI) TUTTA LA VARIABILITA’

DELL’EFFETTO E’ DOVUTA AL FATTORE

SPERIMENTALE

condizioni di (quasi) certezzacondizioni di (quasi) certezza

SOLO UNA PARTE DELLA VARIABILITA’

DELL’EFFETTO E’DOVUTA AL FATTORE

SPERIMENTALE

condizioni di (elevata) condizioni di (elevata) incertezzaincertezza

Da un esperimento fisico...

E

F

E

F

...a un esperimento biologico

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INTRODUZIONE AI DISEGNI SPERIMENTALI - 1.17

L’ESPERIMENTO BIOLOGICO

Variabilità complessiva

del fenomeno

E

F

In media le replicazioni di ogni livello del fattore sperimentale presentano effetti

diversi rispetto alle replicazioni delle altre unità sperimentali

Ogni unità sperimentale reagisce al fattore sperimentale in modo diverso

rispetto alle altre unità

dovuta al fattore sperimentale

In parte..

E

F

Effetti medi

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INTRODUZIONE AI DISEGNI SPERIMENTALI - 1.18

La variabilità tra i livelli del fattore

sperimentale è indicata con il nome di

VARIABILITÀ TRA GRUPPI

NOTA TERMINOLOGICA

La misura dell’effetto del fattore

sperimentale viene derivato dal confronto

tra le unità sottoposte a

DIVERSI TRATTAMENTI

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INTRODUZIONE AI DISEGNI SPERIMENTALI - 1.19

Le replicazioni di ogni livello del fattore sperimentale presentano effetti tra loro

diversi

L’ESPERIMENTO BIOLOGICO

E

F

Ogni unità sperimentale reagisce al fattore sperimentale in modo diverso

rispetto alle altre unità

Variabilità complessiva

del fenomeno

dovuta alle replicazioni

In parte..

E

F

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INTRODUZIONE AI DISEGNI SPERIMENTALI - 1.20

La variabilità entro replicazioni, o

VARIABILITÀ ENTRO GRUPPI ,

è dovuta alle cause non identificate

dall’esperimento sempre presenti e

particolarmente rilevanti in campo

biologico

NOTA TERMINOLOGICA

Tali CAUSE sono considerate ACCIDENTALI

e indicate con il nome di

PERTURBAZIONI

La misura dell’effetto delle perturbazioni

viene derivata dal confronto tra le

replicazioni

(unità sperimentali sottoposte alle

STESSE CONDIZIONI SPERIMENTALI)

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INTRODUZIONE AI DISEGNI SPERIMENTALI - 1.21

Replicazioni F 1 F2 F3

1 10 20 30

2 20 30 40

3 30 40 50

% di cellule morte in una colonia dopo la somministrazione di una dose (F 1, F2 o F3) del farmaco

UN ESPERIMENTO BIOLOGICO

Come riassumere i dati:

1

2

3

E10 20 30 40 50

frequenza

POSIZIONE

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INTRODUZIONE AI DISEGNI SPERIMENTALI - 1.22

Replicazioni F 1 F2 F3

1 10 20 30

2 20 30 40

3 30 40 50

% di cellule morte in una colonia dopo la somministrazione di una dose (F 1, F2 o F3) del farmaco

UN ESPERIMENTO BIOLOGICO

Come riassumere i dati:

Misure di posizione

Media aritmetica =

10 + 20 + 30 + 20 + 30 + 40 + 30 + 40 + 50

9= =

= 30

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INTRODUZIONE AI DISEGNI SPERIMENTALI - 1.23

Replicazioni F 1 F2 F3

1 10 20 30

2 20 30 40

3 30 40 50

% di cellule morte in una colonia dopo la somministrazione di una dose (F 1, F2 o F3) del farmaco

UN ESPERIMENTO BIOLOGICO

Come riassumere i dati:

1

2

3

E10 20 30 40 50

frequenza

VARIABILITA’

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INTRODUZIONE AI DISEGNI SPERIMENTALI - 1.24

Replicazioni F 1 F2 F3

1 10 20 30

2 20 30 40

3 30 40 50

% di cellule morte in una colonia dopo la somministrazione di una dose (F 1, F2 o F3) del farmaco

UN ESPERIMENTO BIOLOGICO

Come riassumere i dati:Misure di variabilità

Proprietà della media aritmetica

Sommatoria degli scarti dalla media =

= (10-30) + (20-30) + (30 -30) +

+ (20-30) + (30-30) + (40 -30) +

+ (30-30) + (40-30) + (50 -30) =

= 0

Media generale: 30

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INTRODUZIONE AI DISEGNI SPERIMENTALI - 1.25

Replicazioni F 1 F2 F3

1 10 20 30

2 20 30 40

3 30 40 50

% di cellule morte in una colonia dopo la somministrazione di una dose (F 1, F2 o F3) del farmaco

UN ESPERIMENTO BIOLOGICO

Come riassumere i dati:Misure di variabilità

Media generale: 30

Devianza (scarti quadratici) =

= (10-30)2 + (20-30)2 + (30 -30)2 +

+ (20-30)2 + (30-30)2 + (40 -30)2 +

+ (30-30)2 + (40-30)2 + (50 -30)2 =

= 1200 Quanta parte della devianza totale è spiegata

dal fattore sperimentale e quanta dalle replicazioni?

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INTRODUZIONE AI DISEGNI SPERIMENTALI - 1.26

Replicazioni F 1 F2 F3

1 10 20 30

2 20 30 40

3 30 40 50

% di cellule morte in una colonia dopo la somministrazione di una dose (F 1, F2 o F3) del farmaco

UN ESPERIMENTO BIOLOGICO

Medie aritmetiche per ogni livello del

fattore sperimentale: 20

(10+20+30)/3

30(20+30+40)/3

40(30+40+50)/3

40

40

40

30

30

30

20

20

20

Ad ogni unità sperimentale viene assegnato lo stesso effetto dell’effetto

medio del livello del fattore sperimentale al quale è sottoposta

Media generale: 30

Devianza dovuta al fattore sperimentale =

= 3 ( 20 - 30)2 +

+ 3 ( 30 - 30)2 +

+ 3 ( 30 - 30)2 =

= 600

20

30

40

.

.

.

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INTRODUZIONE AI DISEGNI SPERIMENTALI - 1.27

Replicazioni F 1 F2 F3

1 10 20 30

2 20 30 40

3 30 40 50

% di cellule morte in una colonia dopo la somministrazione di una dose (F 1, F2 o F3) del farmaco

UN ESPERIMENTO BIOLOGICO

Medie aritmetiche per ogni livello del

fattore sperimentale: 20

(10+20+30)/3

30(20+30+40)/3

40(30+40+50)/3

Per ogni unità sperimentale viene calcolato lo scarto quadratico dall’effetto medio del livello del fattore sperimentale

al quale è sottoposta

Devianza dovuta ai residui =

= (10 - 20 )2 + (20 - 20 )2 + (30 - 20 )2 +

+ (20 - 20 )2 + (30 - 20 )2 + (40 - 20 )2 +

+ (30 - 20 )2 + (40 - 20 )2 + (50 - 20 )2 =

= 600

20 20 20

30 30 30

40 40 40

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INTRODUZIONE AI DISEGNI SPERIMENTALI - 1.28

SISTEMATICA

Tra gruppi 600 +

CASUALE

Residua 600 =

Fonti di variabilità devianza

Totale 1200 =

UN ESPERIMENTO BIOLOGICO

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INTRODUZIONE AI DISEGNI SPERIMENTALI - 1.29

Variabilità del fenomeno

dovuta al fattore

sperimentale

dovuta a cause accidentali

(perturbazioni)

UN ESPERIMENTO BIOLOGICO

di interesse

(oggetto dell’esperimento)

Variabilità tra gruppi

da controllare

(per quanto possibile)

Variabilità entro gruppi

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INTRODUZIONE AI DISEGNI SPERIMENTALI - 1.30

DALLA TEORIA DEL SEGNALE

Segnale di interesse

Rumore residuo

Variabilità tra gruppi

Variabilità entro gruppi

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INTRODUZIONE AI DISEGNI SPERIMENTALI - 1.31

DALLA TEORIA DEL SEGNALE

Segnale di interesse

Rumore residuo

L’ampia variabilità accidentale rischia di “oscurare” l’effetto del fattore sperimentale

Page 32: BIOSTATISTICA · Marta Blangiardo, Imperial College, London Department of Epidemiology and Public Health ... Dipartimento di Statistica, UNIMIB 1. Introduzione ai disegni sperimentali

INTRODUZIONE AI DISEGNI SPERIMENTALI - 1.32

E

F

E

FE

F

Variabilità dovuta alle cause accidentali

E

F

Variabilità dovuta al fattore sperimentale

COME RIDURRE L’EFFETTO DELLE FONTI DI PERTURBAZIONE?

I STRATEGIA: RIDUZIONE DELLA VARIABILITA’ ACCIDENTALE

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INTRODUZIONE AI DISEGNI SPERIMENTALI - 1.33

Replicazioni F 1 F2 F3

1 10 20 30

2 20 30 40

3 30 40 50

% di cellule morte in una colonia dopo la somministrazione di una dose (F 1, F2 o F3) del farmaco

UN ESPERIMENTO BIOLOGICO

I STRATEGIA: RIDUZIONE DELLA VARIABILITA’ ACCIDENTALE

Replicazioni F 1 F2 F3

1 15 25 35

2 20 30 40

3 25 35 45

Devianza tra gruppi: 600; Devianza entro gruppi: 60 0

Devianza tra gruppi: 600; Devianza entro gruppi: 15 0

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INTRODUZIONE AI DISEGNI SPERIMENTALI - 1.34

CONTROLLO DELLE FONTI DI PERTURBAZIONE

� Condizioni in cui si svolge l’esperimento:

- variabilità analitica:

- strumento di misura

- sperimentatore

� Eterogeneità delle unitàsperimentali:

- variabilità biologica

I STRATEGIA: RIDUZIONE DELLA VARIABILITA’ ACCIDENTALE

Page 35: BIOSTATISTICA · Marta Blangiardo, Imperial College, London Department of Epidemiology and Public Health ... Dipartimento di Statistica, UNIMIB 1. Introduzione ai disegni sperimentali

INTRODUZIONE AI DISEGNI SPERIMENTALI - 1.35

FONTI DI PERTURBAZIONE LEGATE ALLO STRUMENTO DI MISURA

Strumenti caratterizzati da elevata precisione

Microscopio ad alta risoluzione

Cellule morteValore vero

Microscopio a bassa risoluzione

Cellule morte

Ipotetica ripetizione del conteggio da un’unica capsula

CONTROLLO DELLE FONTI DI PERTURBAZIONE

Page 36: BIOSTATISTICA · Marta Blangiardo, Imperial College, London Department of Epidemiology and Public Health ... Dipartimento di Statistica, UNIMIB 1. Introduzione ai disegni sperimentali

INTRODUZIONE AI DISEGNI SPERIMENTALI - 1.36

� Condizioni in cui si svolge l’esperimento:

- variabilità analitica:

- strumento di misura

- sperimentatore

� Eterogeneità delle unitàsperimentali:

- variabilità biologica

I STRATEGIA: RIDUZIONE DELLA VARIABILITA’ ACCIDENTALE

CONTROLLO DELLE FONTI DI PERTURBAZIONE

Page 37: BIOSTATISTICA · Marta Blangiardo, Imperial College, London Department of Epidemiology and Public Health ... Dipartimento di Statistica, UNIMIB 1. Introduzione ai disegni sperimentali

INTRODUZIONE AI DISEGNI SPERIMENTALI - 1.37

FONTI DI PERTURBAZIONE LEGATE ALLO SPERIMENTATORE

Un unico sperimentatore esperto per tutto l’esperimento

Sperimentatore non “addestrato”

Sperimentatore “addestrato”

Cellule morte

Cellule morteValore vero

Ipotetica ripetizione del conteggio da un’unica capsula

CONTROLLO DELLE FONTI DI PERTURBAZIONE

Page 38: BIOSTATISTICA · Marta Blangiardo, Imperial College, London Department of Epidemiology and Public Health ... Dipartimento di Statistica, UNIMIB 1. Introduzione ai disegni sperimentali

INTRODUZIONE AI DISEGNI SPERIMENTALI - 1.38

� Condizioni in cui si svolge l’esperimento:

- variabilità analitica:

- strumento di misura

- sperimentatore

� Eterogeneità delle unitàsperimentali:

- variabilità biologica

I STRATEGIA: RIDUZIONE DELLA VARIABILITA’ ACCIDENTALE

CONTROLLO DELLE FONTI DI PERTURBAZIONE

Page 39: BIOSTATISTICA · Marta Blangiardo, Imperial College, London Department of Epidemiology and Public Health ... Dipartimento di Statistica, UNIMIB 1. Introduzione ai disegni sperimentali

INTRODUZIONE AI DISEGNI SPERIMENTALI - 1.39

FONTI DI PERTURBAZIONE LEGATE ALLE UNITA’ SPERIMENTALI

Cellule di un unico ceppo

Cellule eterogenee

Cellule omogenee

Cellule morte

Cellule morteValore vero

Ipotetica ripetizione del conteggio da un’unica capsula

CONTROLLO DELLE FONTI DI PERTURBAZIONE

Page 40: BIOSTATISTICA · Marta Blangiardo, Imperial College, London Department of Epidemiology and Public Health ... Dipartimento di Statistica, UNIMIB 1. Introduzione ai disegni sperimentali

INTRODUZIONE AI DISEGNI SPERIMENTALI - 1.40

Maggiore possibilità di

apprezzare l’effetto

Popolazioni eterogenee

Popolazioni omogenee

selezione

CONTROLLO DELLE FONTI DI PERTURBAZIONE

Page 41: BIOSTATISTICA · Marta Blangiardo, Imperial College, London Department of Epidemiology and Public Health ... Dipartimento di Statistica, UNIMIB 1. Introduzione ai disegni sperimentali

INTRODUZIONE AI DISEGNI SPERIMENTALI - 1.41

Popolazioni eterogenee

Popolazioni omogenee

selezione

Minore possibilitàdi generalizzare i

risultati

CONTROLLO DELLE FONTI DI PERTURBAZIONE

Page 42: BIOSTATISTICA · Marta Blangiardo, Imperial College, London Department of Epidemiology and Public Health ... Dipartimento di Statistica, UNIMIB 1. Introduzione ai disegni sperimentali

INTRODUZIONE AI DISEGNI SPERIMENTALI - 1.42

• Introduzione agli esperimenti– Fattore sperimentale

– Unità sperimentali

• Fonti di variabilità– Variabilità tra gruppi

– Variabilità entro gruppi

• Come trattare la variabilitàentro gruppi?– Strategia 1: riduzione

– Strategia 2: correzione

RIASSUNTO

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INTRODUZIONE AI DISEGNI SPERIMENTALI - 1.43

Variabilità dovuta alle condizioni sperimentali

COME RIDURRE L’EFFETTO DELLE FONTI DI PERTURBAZIONE?

II STRATEGIA: CORREZIONE DALL’EFFETTO DELLE FONTI NOTE DI VARIABILITA’

E

F

Variabilità dovuta a cause accidentali

E

F

E

F

Variabilità dovuta al fattore sperimentale

Condizione sperimentale ACondizione sperimentale B

E

F

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INTRODUZIONE AI DISEGNI SPERIMENTALI - 1.44

% di cellule morte in una colonia dopo la somministrazione di una dose (F 1, F2 o F3) del farmaco

UN ESPERIMENTO BIOLOGICO

B 1 20 30 40

2 30 40 50

3 40 50 60

Devianza totale: 2850

Quanta parte della devianza totale è spiegata dal fattore sperimentale, quanta

dall’osservatore e quanta dalle replicazioni?

Media totale: 35

Osservatore Replicazioni F 1 F2 F3

A 1 10 20 30

2 20 30 40

3 30 40 50

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INTRODUZIONE AI DISEGNI SPERIMENTALI - 1.45

Osservatore Replicazioni F 1 F2 F3

A 1 10 20 30

2 20 30 40

3 30 40 50

UN ESPERIMENTO BIOLOGICO

B 1 20 30 40

2 30 40 50

3 40 50 60

25 35 45

25

25

25

25

25

25

35

35

35

35

35

35

45

45

45

45

45

45

Media generale: 35

Devianza tra livelli del fattore sperimentale =

= 6 ( 25 - 35)2 + 6 ( 35 -35)2 + 6 ( 45 -35)2 =

= 1200

25 35 45

Variabilità dovuta al fattore sperimentale

Page 46: BIOSTATISTICA · Marta Blangiardo, Imperial College, London Department of Epidemiology and Public Health ... Dipartimento di Statistica, UNIMIB 1. Introduzione ai disegni sperimentali

INTRODUZIONE AI DISEGNI SPERIMENTALI - 1.46

Osservatore Replicazioni F 1 F2 F3

A 1 10 20 30

2 20 30 40

3 30 40 50

UN ESPERIMENTO BIOLOGICO

B 1 20 30 40

2 30 40 50

3 40 50 60

Media generale: 35

30

30

30

40

40

40

30

30

30

40

40

40

30

30

30

40

40

40

30

40

Devianza tra osservatori =

= 9 ( 25 - 35)2 + 9 ( 35 - 35)2 =

= 450

30 40

Variabilità dovuta all’osservatore

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INTRODUZIONE AI DISEGNI SPERIMENTALI - 1.47

Devianza residua =

= (10 - 20 )2 + (20 - 20 )2 + (30 - 20 )2 +

+ (20 - 20 )2 + (30 - 20 )2 + (40 - 20 )2 +

+ (30 - 20 )2 + (40 - 20 )2 + (50 - 20 )2 +

+ (20 - 20 )2 + (30 - 20 )2 + (40 - 20 )2 +

+ (30 - 20 )2 + (40 - 20 )2 + (50 - 20 )2 +

+ (40 - 20 )2 + (50 - 20 )2 + (60 - 20 )2 =

= 1200

30 30 30

40 40 40

50 50 50

20 20 20

30 30 30

40 40 40

Osservatore Replicazioni F 1 F2 F3

A 1 10 20 30

2 20 30 40

3 30 40 50

B 1 20 30 40

2 30 40 50

3 40 50 60

UN ESPERIMENTO BIOLOGICO

20 30 40

30 40 50

Variabilità residua

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INTRODUZIONE AI DISEGNI SPERIMENTALI - 1.48

SISTEMATICA

Tra gruppi 1200 +

Tra osservatori 450 +

Fonti di variabilità devianza

Totale 2850 =

CONTROLLO DELLE FONTI DI PERTURBAZIONE

II STRATEGIA: CORREZIONE DALL’EFFETTO DELLE FONTI NOTE DI VARIABILITA’

CASUALE

Residua 1200 =

Se non si fosse considerata la variabilità tra osservatori

1200

1650

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INTRODUZIONE AI DISEGNI SPERIMENTALI - 1.49

Fonti di variabilità

FATTORI SPERIMENTALI

FATTORI SUBSPERIMENTALI

FATTORI RESIDUI

Oggetto della sperimentazione

Condizioni in cui si svolge l’esperimento

Componente accidentale non controllato nell’esperimento

NOTA TERMINOLOGICA

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INTRODUZIONE AI DISEGNI SPERIMENTALI - 1.50

Specie Replicazioni F 1 F2 F3

A 1 10 30 50

2 20 40 60

3 30 50 70

% di cellule morte in una colonia dopo la somministrazione di una dose (F 1, F2 o F3) del farmaco

UN ESPERIMENTO BIOLOGICO

B 1 10 20 30

2 20 30 40

3 30 40 50

Devianza totale: 4650

Quanta parte della devianza totale è spiegata dal fattore sperimentale, quanta dalla specie

e quanta dalle replicazioni?

Media totale: 35

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INTRODUZIONE AI DISEGNI SPERIMENTALI - 1.51

Specie Replicazioni F 1 F2 F3

A 1 10 30 50

2 20 40 60

3 30 50 70

UN ESPERIMENTO BIOLOGICO

B 1 10 20 30

2 20 30 40

3 30 40 50

20 35 50

20

20

20

20

20

20

35

35

35

35

35

35

50

50

50

50

50

50

Devianza tra livelli del fattore sperimentale: 2700

Media generale: 35

Variabilità dovuta al fattore sperimentale

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INTRODUZIONE AI DISEGNI SPERIMENTALI - 1.52

Specie Replicazioni F 1 F2 F3

A 1 10 30 50

2 20 40 60

3 30 50 70

UN ESPERIMENTO BIOLOGICO

B 1 10 20 30

2 20 30 40

3 30 40 50

40

40

40

30

30

30

40

40

40

30

30

30

40

40

40

30

30

30

Devianza tra specie: 450

40

30

Media generale: 35

Variabilità dovuta alla specie

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INTRODUZIONE AI DISEGNI SPERIMENTALI - 1.53

Specie Replicazioni F 1 F2 F3

A 1 10 30 50

2 20 40 60

3 30 50 70

UN ESPERIMENTO BIOLOGICO

B 1 10 20 30

2 20 30 40

3 30 40 50

Devianza residua: 1200

Variabilità residua

20 40 60

20 30 40

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INTRODUZIONE AI DISEGNI SPERIMENTALI - 1.54

Tra gruppi 2700 +

Tra specie 1450 +

Residua 1200 ≠≠≠≠

Fonti di variabilità devianza

Totale 4650

?

CONTROLLO DELLE FONTI DI PERTURBAZIONE

Esiste qualche fonte di variabilitànon considerata?

II STRATEGIA: CORREZIONE DALL’EFFETTO DELLE FONTI NOTE DI VARIABILITA’

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INTRODUZIONE AI DISEGNI SPERIMENTALI - 1.55

FF3F2F1

Condizione sperimentale ACondizione sperimentale B

Interazione tra fattore e condizione sperimentale

E

CONTROLLO DELLE FONTI DI PERTURBAZIONE

II STRATEGIA: CORREZIONE DALL’EFFETTO DELLE FONTI NOTE DI VARIABILITA’

Page 56: BIOSTATISTICA · Marta Blangiardo, Imperial College, London Department of Epidemiology and Public Health ... Dipartimento di Statistica, UNIMIB 1. Introduzione ai disegni sperimentali

INTRODUZIONE AI DISEGNI SPERIMENTALI - 1.56

Tra gruppi 2700 +

Tra specie 1450 +

Residua 1200 =

Fonti di variabilità devianza

Totale 4650

Interazione 1300 +

CONTROLLO DELLE FONTI DI PERTURBAZIONE

II STRATEGIA: CORREZIONE DALL’EFFETTO DELLE FONTI NOTE DI VARIABILITA’

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INTRODUZIONE AI DISEGNI SPERIMENTALI - 1.57

POPOLAZIONE 2POPOLAZIONE 1

10

1512

16

20

Campione 1

22

1812

25

10

Campione 2

y2

y1

Effetto di interesse osservato

F2F1

UN PROBLEMA GENERALE

L’effetto osservato è dovuto al fattore sperimentale o ad altri fattori non controllati che rendono diverse le

popolazioni in studio?

Page 58: BIOSTATISTICA · Marta Blangiardo, Imperial College, London Department of Epidemiology and Public Health ... Dipartimento di Statistica, UNIMIB 1. Introduzione ai disegni sperimentali

INTRODUZIONE AI DISEGNI SPERIMENTALI - 1.58

POPOLAZIONE 2POPOLAZIONE 1

10

1512

16

20

Campione 1

22

1812

25

10

Campione 2

y2

y1

Effetto di interesse osservato

F2F1

UN PROBLEMA GENERALE

Riduzione della variabilitàaccidentale

Correzione per l’effetto di fattori rilevanti

L’effetto osservato è in parte o totalmente dovuto a qualche fattore confondente?

Page 59: BIOSTATISTICA · Marta Blangiardo, Imperial College, London Department of Epidemiology and Public Health ... Dipartimento di Statistica, UNIMIB 1. Introduzione ai disegni sperimentali

INTRODUZIONE AI DISEGNI SPERIMENTALI - 1.59

NOTA TERMINOLOGICA

CONFONDENTE

fattore non controllato nell’esperimento

associato sia al fattore che all’esito in

studio

F E

C

Causa ?

Page 60: BIOSTATISTICA · Marta Blangiardo, Imperial College, London Department of Epidemiology and Public Health ... Dipartimento di Statistica, UNIMIB 1. Introduzione ai disegni sperimentali

INTRODUZIONE AI DISEGNI SPERIMENTALI - 1.60

UN PROBLEMA GENERALE

L’assegnazione casuale (randomizzazione) di ogni unità sperimentale consente di incaricare il

caso di rendere confrontabili i due gruppi

y2

10

1512

16

20

10

1512

16

20F1 F2

POPOLAZIONE

10

1512

16

20

10

1512

16

20

Campione

y1

Effetto di interesse osservato

randomizzazione

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INTRODUZIONE AI DISEGNI SPERIMENTALI - 1.61

NOTA TERMINOLOGICA

RANDOMIZZAZIONE:

processo di assegnazione casuale delle

unità sperimentali ai livelli del fattore

sperimentale

La randomizzazione ha lo scopo di permettere

che i gruppi posti a confronto possano

considerarsi campioni indipendenti ottenuti

per estrazione casuale da un’unica

popolazione ipotetica e quindi sottoposti

all’azione dei fattori accidentali con la stessa

intensità

MARTA BLANGIARDO - INTRODUZIONE AI DISEGNI SPERIMENT ALI - 1.56

Page 62: BIOSTATISTICA · Marta Blangiardo, Imperial College, London Department of Epidemiology and Public Health ... Dipartimento di Statistica, UNIMIB 1. Introduzione ai disegni sperimentali

INTRODUZIONE AI DISEGNI SPERIMENTALI - 1.62

PAZIENTIPAZIENTI

10

1512

16

20

22

1812

25

10

y2

y1

Effetto osservato

L’effetto osservato è dovuto al farmaco o ad altri fattori (età e sesso dei pazienti, ecc..) che rendono diverse le popolazioni in studio?

Intensità dei sintomi

PLACEBO FARMACO

UN ESPERIMENTO CLINICO

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INTRODUZIONE AI DISEGNI SPERIMENTALI - 1.63

PAZIENTIPAZIENTI

10

1512

16

20

22

1812

25

10

y2

y1

Effetto osservato

PLACEBO

L’effetto osservato è dovuto al farmaco o a qualche confondente ignoto che condiziona

l’esito della malattia?

FARMACO

UN ESPERIMENTO CLINICO

Pazienti della stessa età e sesso

Page 64: BIOSTATISTICA · Marta Blangiardo, Imperial College, London Department of Epidemiology and Public Health ... Dipartimento di Statistica, UNIMIB 1. Introduzione ai disegni sperimentali

INTRODUZIONE AI DISEGNI SPERIMENTALI - 1.64

randomizzazione

10

1512

16

20

10

1512

16

20

PAZIENTI

10

1512

16

20

10

1512

16

20

Campione

UN ESPERIMENTO CLINICO

Placebo Farmaco

y2

y1

Effetto osservato

y1

Perché, al di là del caso, i due gruppi posti a confronto dovrebbero differire?

Page 65: BIOSTATISTICA · Marta Blangiardo, Imperial College, London Department of Epidemiology and Public Health ... Dipartimento di Statistica, UNIMIB 1. Introduzione ai disegni sperimentali

INTRODUZIONE AI DISEGNI SPERIMENTALI - 1.65

DISEGNO COMPLETAMENTE RANDOMIZZATO

I PRINCIPALI DISEGNI SPERIMENTALI

FATTORI SPERIMENTALI

FATTORI SUBSPERIMENTALI

UNO

PIU’ DI UNO

UNO O PIU’NESSUNO

Page 66: BIOSTATISTICA · Marta Blangiardo, Imperial College, London Department of Epidemiology and Public Health ... Dipartimento di Statistica, UNIMIB 1. Introduzione ai disegni sperimentali

INTRODUZIONE AI DISEGNI SPERIMENTALI - 1.66

I PRINCIPALI DISEGNI SPERIMENTALI

DISEGNO COMPLETAMENTE RANDOMIZZATO

Misura dell’effetto

randomizzazione

Unità

sperimentali

F1 F2 F3

Livelli del fattore

sperimentale

Page 67: BIOSTATISTICA · Marta Blangiardo, Imperial College, London Department of Epidemiology and Public Health ... Dipartimento di Statistica, UNIMIB 1. Introduzione ai disegni sperimentali

INTRODUZIONE AI DISEGNI SPERIMENTALI - 1.67

randomizzazione

10

1512

16

20

10

1512

16

20

10

1512

16

20

10

1512

16

20

Campione di pazienti

UN ESPERIMENTO CLINICOCOMPLETAMENTE RANDOMIZZATO

Placebo Farmaco

Pazienti omogenei

Assegnazione casuale

Page 68: BIOSTATISTICA · Marta Blangiardo, Imperial College, London Department of Epidemiology and Public Health ... Dipartimento di Statistica, UNIMIB 1. Introduzione ai disegni sperimentali

INTRODUZIONE AI DISEGNI SPERIMENTALI - 1.68

DISEGNO A BLOCCHI

RANDOMIZZATI

I PRINCIPALI DISEGNI SPERIMENTALI

FATTORI SPERIMENTALI

FATTORI SUBSPERIMENTALI

UNO

PIU’ DI UNO

NESSUNO UNO O PIU’

Disegno completamente randomizzato

Page 69: BIOSTATISTICA · Marta Blangiardo, Imperial College, London Department of Epidemiology and Public Health ... Dipartimento di Statistica, UNIMIB 1. Introduzione ai disegni sperimentali

INTRODUZIONE AI DISEGNI SPERIMENTALI - 1.69

I PRINCIPALI DISEGNI SPERIMENTALI

DISEGNO A BLOCCHI RANDOMIZZATI

Unità

sperimentali

Misura dell’effetto

stratificazione

randomizzazione randomizzazione

F1 F2 F1 F2

Page 70: BIOSTATISTICA · Marta Blangiardo, Imperial College, London Department of Epidemiology and Public Health ... Dipartimento di Statistica, UNIMIB 1. Introduzione ai disegni sperimentali

INTRODUZIONE AI DISEGNI SPERIMENTALI - 1.70

stratificazione10

1512

16

20

10

1512

16

20

10

1512

16

20

10

1512

16

20

UN ESPERIMENTO CLINICOA BLOCCHI RANDOMIZZATI

10 Centro A

10 Centro B

randomizzazione

10

12

10

12

20

randomizzazione

10

12

10

12

20

Pazienti omogenei

Assegnazione casuale

Placebo Farmaco Placebo Farmaco

Fattori noti Campione di pazienti

Page 71: BIOSTATISTICA · Marta Blangiardo, Imperial College, London Department of Epidemiology and Public Health ... Dipartimento di Statistica, UNIMIB 1. Introduzione ai disegni sperimentali

INTRODUZIONE AI DISEGNI SPERIMENTALI - 1.71

DISEGNO FATTORIALE

I PRINCIPALI DISEGNI SPERIMENTALI

FATTORI SPERIMENTALI

FATTORI SUBSPERIMENTALI

UNO

PIU’ DI UNO

NESSUNO UNO O PIU’

Disegno completamente randomizzato

Disegno a blocchi randomizzati

Page 72: BIOSTATISTICA · Marta Blangiardo, Imperial College, London Department of Epidemiology and Public Health ... Dipartimento di Statistica, UNIMIB 1. Introduzione ai disegni sperimentali

INTRODUZIONE AI DISEGNI SPERIMENTALI - 1.72

I PRINCIPALI DISEGNI SPERIMENTALI

DISEGNO FATTORIALE

Unità

sperimentali

FA1 * FB1

FA1 * FB2

FA2 * FB1

FA2 * FB2

randomizzazione

Misura degli effetti principali e combinati

Page 73: BIOSTATISTICA · Marta Blangiardo, Imperial College, London Department of Epidemiology and Public Health ... Dipartimento di Statistica, UNIMIB 1. Introduzione ai disegni sperimentali

INTRODUZIONE AI DISEGNI SPERIMENTALI - 1.73

15

UN ESPERIMENTO CLINICOFATTORIALE

10

1512

16

20

10

12

16

20

Campione di pazienti

10

10

randomizzazione

10

1512

20

10

1512

20

10

1512

20

10

15

12

20

Pazienti omogenei

Assegnazione casuale

Interazione tra farmaci

Farmaco A noFarmaco B si

Farmaco A noFarmaco B no

Farmaco A siFarmaco B si

Farmaco A siFarmaco B no

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INTRODUZIONE AI DISEGNI SPERIMENTALI - 1.74

La RICERCA SPERIMENTALE consiste nel:

SPERIMENTAZIONE

1. ISOLARE quanto più possibile da tutto il resto il contesto nel quale si svolge l’esperimento controllando tutte le condizioni che possono perturbare il fenomeno in studio:

• Inclusione di unità sperimentali omogenee

• Rimozione dell’effetto di fonti note di variabilità

• Randomizzazione per il controllo di fonti di perturbazione ignote

Page 75: BIOSTATISTICA · Marta Blangiardo, Imperial College, London Department of Epidemiology and Public Health ... Dipartimento di Statistica, UNIMIB 1. Introduzione ai disegni sperimentali

INTRODUZIONE AI DISEGNI SPERIMENTALI - 1.75

La RICERCA SPERIMENTALE consiste nel:

SPERIMENTAZIONE

2. MANIPOLARE fattore sperimentale in studio

• ad esempio definizione a priori delle dosi di interesse e controllo analitico delle dosi somministrate

Page 76: BIOSTATISTICA · Marta Blangiardo, Imperial College, London Department of Epidemiology and Public Health ... Dipartimento di Statistica, UNIMIB 1. Introduzione ai disegni sperimentali

INTRODUZIONE AI DISEGNI SPERIMENTALI - 1.76

La RICERCA SPERIMENTALE consiste nel:

SPERIMENTAZIONE

3. REGISTRARE l’effetto del fattore sperimentale

• ad esempio nel caso della ricerca farmacologica sull’uomo guarigione, attenuazione dei sintomi, miglioramento della qualità della vita, riduzione della probabilità di recidiva, morte, ecc..

Page 77: BIOSTATISTICA · Marta Blangiardo, Imperial College, London Department of Epidemiology and Public Health ... Dipartimento di Statistica, UNIMIB 1. Introduzione ai disegni sperimentali

INTRODUZIONE AI DISEGNI SPERIMENTALI - 1.77

È sempre possibile ed eticamente lecito randomizzare?

UN PROBLEMA GENERALE

randomizzazione

10

1512

16

20

10

1512

16

20F1 F2

POPOLAZIONE

10

1512

16

20

10

1512

16

20

Campione

Page 78: BIOSTATISTICA · Marta Blangiardo, Imperial College, London Department of Epidemiology and Public Health ... Dipartimento di Statistica, UNIMIB 1. Introduzione ai disegni sperimentali

INTRODUZIONE AI DISEGNI SPERIMENTALI - 1.78MARTA BLANGIARDO - INTRODUZIONE AI DISEGNI SPERIMENT ALI - 1.75

10

1512

16

20

10

1512

16

20

AREE URBANE

10

1512

16

20

10

1512

16

20

Campione di aree

UNO STUDIO AMBIENTALE

y2

y1

Effetto osservato

y1

Traffico autoveicolare

Traffico autoveicolare

Livelli medi diinquinamento da CO

L’effetto osservato è dovuto al diverso livello di t raffico autoveicolare o a qualche altro fattore che condizio na

l’inquinamento da CO?

Page 79: BIOSTATISTICA · Marta Blangiardo, Imperial College, London Department of Epidemiology and Public Health ... Dipartimento di Statistica, UNIMIB 1. Introduzione ai disegni sperimentali

INTRODUZIONE AI DISEGNI SPERIMENTALI - 1.79

10

1512

16

20

10

1512

16

20

AREE URBANE

10

1512

16

20

10

1512

16

20

Campione di città

UNO STUDIO AMBIENTALE

Traffico autoveicolare

y2

y1

Effetto osservato

y1

Livelli medi diinquinamento da CO

Traffico autoveicolare

L’effetto osservato è dovuto al diverso livello di t raffico autoveicolare o a qualche confondente ignoto o non

misurabile che condiziona l’inquinamento da CO?

Aree dello stesso

livello altimetrico

randomizzazione

Page 80: BIOSTATISTICA · Marta Blangiardo, Imperial College, London Department of Epidemiology and Public Health ... Dipartimento di Statistica, UNIMIB 1. Introduzione ai disegni sperimentali

INTRODUZIONE AI DISEGNI SPERIMENTALI - 1.80

10

1512

16

20

10

1512

16

20

COMUNITA’

10

1512

16

20

10

1512

16

20

Campione di comunità

UNO STUDIO EPIDEMIOLOGICO DICORRELAZIONE (ECOLOGICO)

y2

y1

Effetto osservato

y1

Prevalenza di ipertesi

Prevalenza di ipertesi

Mortalità per malattie cardiovascolari

L’effetto osservato è dovuto alla diversa prevalenza di ipertesi o a qualche altro fattore che condiziona l a

mortalità per malattie cardiovascolari?

Page 81: BIOSTATISTICA · Marta Blangiardo, Imperial College, London Department of Epidemiology and Public Health ... Dipartimento di Statistica, UNIMIB 1. Introduzione ai disegni sperimentali

INTRODUZIONE AI DISEGNI SPERIMENTALI - 1.81MARTA BLANGIARDO - INTRODUZIONE AI DISEGNI SPERIMENT ALI - 1.78

10

1512

16

20

10

1512

16

20

COMUNITA’

10

1512

16

20

10

1512

16

20

Campione di comunità

y2

y1

Effetto osservato

y1

Mortalità per malattiecardiovascolari

Popolazioni dello stesso livello

socioeconomico

Rimozione dell’effetto dell’età

e del fumo

randomizzazione

Prevalenza di ipertesi

Prevalenza di ipertesi

UNO STUDIO EPIDEMIOLOGICO DICORRELAZIONE (ECOLOGICO)

Page 82: BIOSTATISTICA · Marta Blangiardo, Imperial College, London Department of Epidemiology and Public Health ... Dipartimento di Statistica, UNIMIB 1. Introduzione ai disegni sperimentali

INTRODUZIONE AI DISEGNI SPERIMENTALI - 1.82

Livello di esposizione al fattore

Fre

qu

enza

del

la m

alat

tia

Relazione funzionaleComunità

Livello di esposizione al fattore

Fre

qu

enza

del

la m

alat

tia

Individuo

LA FALLACE ECOLOGICA

Page 83: BIOSTATISTICA · Marta Blangiardo, Imperial College, London Department of Epidemiology and Public Health ... Dipartimento di Statistica, UNIMIB 1. Introduzione ai disegni sperimentali

INTRODUZIONE AI DISEGNI SPERIMENTALI - 1.83

INDIVIDUI

10

1512

16

20

10

1512

16

20

Campione di individui

UNO STUDIO EPIDEMIOLOGICO ANALITICO

10

1512

16

20

10

1512

16

20

Ipertesi Normotesi

È ancora ipotizzabile l’effetto di qualche confondente non noto?

Effetto osservato

Mor

talit

àpe

r m

alat

tie

card

iova

scol

ari

Possibilità di controllo per molti fattori misurati sui

singoli individui

randomizzazione

Page 84: BIOSTATISTICA · Marta Blangiardo, Imperial College, London Department of Epidemiology and Public Health ... Dipartimento di Statistica, UNIMIB 1. Introduzione ai disegni sperimentali

INTRODUZIONE AI DISEGNI SPERIMENTALI - 1.84

La RICERCA OSSERVAZIONALEconsiste nel:

OSSERVAZIONE

� OSSERVARE la relazione di interesse controllando solo alcune condizioni che possono perturbare tale relazione

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INTRODUZIONE AI DISEGNI SPERIMENTALI - 1.85

Si ricorre a un APPROCCIO OSSERVAZIONALE quando non èpossibile:

OSSERVAZIONE

� ASSEGNARE CASUALMENTE le unità a gruppi sottoposti a diversi livelli del fattore in studio

� MANIPOLARE il fattore in studio (non è il ricercatore ma le unità a decidere il livello di esposizione)

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INTRODUZIONE AI DISEGNI SPERIMENTALI - 1.86

• Introduzione agli esperimenti– Fattore sperimentale

– Unità sperimentali

• Fonti di variabilità– Variabilità tra gruppi

– Variabilità entro gruppi

• Come trattare la variabilitàentro gruppi?– Strategia 1: riduzione

– Strategia 2: correzione

• Esperimenti clinici

• Esperimenti osservazionali

RIASSUNTO