整群随机试验样本量(Cluster-Randomized Trial Sample Size)
定义
整群随机试验(CRT):随机单位为「群」而非个体(如学校、诊所、社区)。关键参数:群内相关系数 ICC(intracluster correlation),它衡量同群个体之间的相似度(0 表示群间无额外相似度,1 表示群内完全相似)。
当 ICC > 0 时,个体不再独立,设计效应(design effect, DEFF) > 1;需要更多个体才能达到同样精度。DEFF 近似公式:
DEFF = 1 + (m − 1) × ICC
其中:
m= 平均群大小(群规模)。ICC= 群内相关系数(范围 [0,1],实际常见 < 0.1)。
因此,所需总个体数 ≈ DEFF × (独立个体假设下的样本量);群数 k ≈ (总个体数)/ m。
资料陈述:经典教材 Donner & Klar (2000)、Hayes & Bennett (1999) 与 Murray (1998) 为基础;不同软件包可能引用不同文献,导致文献谱系不完全共享。
补充:教材层证据(第 12 章)
《Sample Sizes for Clinical, Laboratory and Epidemiology Studies》第 12 章把 DEFF 路线写得比 R 包文档更细,补充四件软件页没覆盖的事:
- 整群规模变异会抬高 DE。式 (12.5) 的
DE = 1+(m−1)ρ假设各群人数相同;实际有变异时用DE = 1 + {[CV(m)²·(K−1)/K + 1]·m̄ − 1}ρ(式 12.6),或直接把群数放大为K_Adjusted = K/{1 − CV(m)²·ξ(1−ξ)}(式 12.8,ξ 为流失比例)1。 - 聚合 vs 非聚合设计。整群试验可只在「群水平」取聚合值(aggregate,如诊所整体率),也可在个体水平测量(non-aggregate);两者方差结构与公式不同,且聚合设计对群内样本量的要求更宽松1。
- 各类结局都有对应版本:连续、二分类、有序(式 12.16,与第 4 章的 Γ 因子相乘)、率、时间-事件,各有非聚合/聚合两套1。
- 配对与交叉整群设计:交叉整群同时有群内相关 η 与期间相关 ω,
DE_Cross = 1+(m−1)η − mω(式 12.23)——注意 ω 项是减号,与平行设计不同1。若整群数固定、只能靠加人数提功效,则所需群规模为m = m'(1−ρ)/(1−m'ρ)(式 12.25)1。
本库归纳:这三层证据(R 包文档 → 教材公式 → 诊断/整群方法学论文)不矛盾,但精度不同:软件页告诉你「有什么函数」,第 12 章告诉你「参数该如何预先估计」(从群间/群内方差反推 ICC,第 12.4 节)。
主流 R 实现
| 包 | 定位 | 典型入口 | 独特能力 |
|---|---|---|---|
| CRTSize | CRT 专用(闭式 + 模拟) | n4means(delta, sigma, m, ICC) |
n4meansEB:经验贝叶斯平滑 ICC 不确定性(输入 ICC 分位数 + varICC) |
| odr | 最优设计(多层/纵向/成本) | od.2(), power.2() |
成本约束最优分配(单位成本 c1/c2, 额外成本 c1t/c2t)求最优群数/群规模/干预比例 |
| PUMP | 多重性下功效(BH/BHm 校正) | pump_power() |
在多重检验校正下计算 CRT 功效 |
| PracTools | 调查抽样(设计效应/群最优规模) | clusOpt2(), deffS() |
clusOpt2(C1, C2, delta, …, tot.cost):最优群规模(cost-constrained) |
| samplingbook | Survey sampling(PPS / 分层) | pps.sampling() |
有限总体校正(FPC)内建的 PPS 抽样 |
| RDSsamplesize | Respondent-driven sampling | calSize() |
链路抽样样本量 + 波次规模分布 |
关键文献与谱系差异
| 主张 | 代表文献 | 关联包 | 本库实查结果 |
|---|---|---|---|
| ICC 基础 | Donner & Klar (2000) | CRTSize, clusterPower | 两包 Rd 均列 Donner & Klar(CRTSize 写作 2000/2009,clusterPower cpa.binary/cpa.count 均有) |
| 群随机 / 教育 / 卫生 | Hayes & Bennett (1999) | clusterPower, PUMP, PowerUpR | clusterPower cpa.count.Rd 明列「Hayes JR, Bennett S. Simple sample size calculation for cluster-randomized trials」(Int J Epidemiol) |
| 成本约束最优分配 | odr 文献 (Hayes 等) | odr | odr.2(), power.2() 含 c1/c2/c1t/c2t 成本结构 |
| 多重性检验 (BH/BHm) | Benjamini & Hochberg (1995) | PUMP | pump_power() 含 MTP="BH" 选项 |
| 有限总体校正 (FPC) | Thompson (1987) | samplingbook, RDSsamplesize | pps.sampling() 用于有限总体的 PPS 抽样 |
| 链路抽样 (RDS) | Volz & Heckathorn (2008) | RDSsamplesize | calSize()、nprobw() |
⚠️ 本页旧版更正:本页曾以「修正注意」的形式声称「CRTSize man 未见 Rotondi & Donner 明确引用」,并据此判定两包文献谱系不一定共享。本轮实查推翻该结论:CRTSize 1.2 的
n4meansEB.Rd、n4propsEB.Rd、n4meansMeta.Rd、n4propsMeta.Rd均列出 Rotondi & Donner (2009) 与 (2012)(含 Journal of Educational and Behavioral Statistics 34:229–237,DOI 10.3102/1076998609332756),且 Michael Rotondi 本人是该包作者;clusterPower 0.7.0 的cpa.count.Rd明列 Hayes & Bennett (1999)。所以「CRTSize 引 Rotondi & Donner、clusterPower 引 Hayes & Bennett」这一原始说法是正确的,旧版的「修正」本身属误判。证据层级:实查两包man/*.Rd(CRTSize 为已装 1.2;clusterPower 为 CRAN 归档源码 0.7.0,因本机无该包 R 4.6.1 二进制)。
常用计算举例(参考附件数据)
- CRTSize:
n4means(delta=0.3, sigma=1, m=30, ICC=0.05)→ 每群 30 例,每组需 16 群(总 480 例)。 - odr:
od.2(icc=0.2, r12=0.5, r22=0.5, c1=1, c2=5, c1t=1, c2t=50)→ 最优群规模 n≈8.9, 干预比例 p≈0.33。 - PMP:
pump_power(d_m="d3.1_m3rr2rr", MTP="BH", ...)→ 在多重性下得到功效/MDES。 - PracTools:
clusOpt2(C1=100, C2=10, delta=0.05, unit.rv=1.2, tot.cost=100000, cal.sw=FALSE)→ 群规模解。
相关
- 《R 样本量包:功能重合、同例异构与文献引用比对》(本库私人分析稿,路径见 frontmatter
sources) — §1/§6/§10 - 《R 样本量包:各自的独门功能与实现实例》(本库私人分析稿,路径见 frontmatter
sources) — §10/§11 - R 样本量包文献引用审计 — 该审计页把「CRTSize 是否引 Rotondi & Donner」列为待核实,本轮已实查结案(见上文更正)
- see also: survey sampling; cost-constrained allocation; FPC