阶梯楔入设计样本量
定义与适用范围
阶梯楔入设计(SWD):所有整群从标准干预(I-No)开始,按顺序、分批次切换到试验干预(I-Yes),到最后一个阶段全部整群都用试验干预。整群自己前后对照,因此时间效应必须建模(式 13.1 里有 θ_t 时间固定效应)1。
两种亚型,样本量公式不同:
| 亚型 | 每个阶段的受试者 | 结构参数 | 总样本量 |
|---|---|---|---|
| 横断面(CS) | 每阶段新招募一批 | 阶段数 S+1、导入期 b、序列数 A | N = DE × N₀ × (S+1)(式 13.12) |
| 封闭队列(CC) | 同一批人随访到底 | 随访期数、队列相关 π | N = DE_Full^CC × N₀(式 13.16) |
其中 N₀ 是单个阶段内两组比较所需的样本量(按结局类型取第 3/5 章的公式)1。
证据与解释
DE 的通式:一个设计矩阵决定一切
DE_SWD(r) = A²(1−r)(1+Sr) / {4[AE − G + (E² + SAE − SG − AF)r]} (式 13.2)
E = Σ_lt x_lt, F = Σ_l (Σ_t x_lt)², G = Σ_t (Σ_l x_lt)² (式 13.3)
A= 序列组数,S= 基线后的阶段数,x_lt是「第 l 组在第 t 阶段是否接受试验干预」的 0/1 设计矩阵元素1。- r 是「类内相关」的综合参数,随亚型不同:
- 横断面:
r_CS = mρω/[1+(m−1)ρ](式 13.4) - 封闭队列:
r_CC = [mρω + (1−ρ)π]/[1+(m−1)ρ](式 13.14) 其中 m 为每整群每阶段人数、ρ 为整群 ICC、ω 为整群自相关(cluster autocorrelation,图 13.4 定义)、π 为封闭队列的随访相关1。
- 横断面:
- 因此 SWD 的 DE 是**「整群 DE」与「阶梯结构 DE」的乘积式合并**,不是简单相加(第 12 章式 12.5 的
1+(m−1)ρ只是其中一个因子)12。
三个常用特例
| 设计 | 条件 | 合并后的 DE |
|---|---|---|
| 交叉式(两序列、无导入期) | A=2, b=0, S=T=2, E=F=G=2 | DE_cross = ½[1+(m−1)ρ − mρω](式 13.9) |
| 单导入期 + 一次随机化后评估 | A=2, b=1, S=1, E=F=G=1 | DE = (1−r_CS²)[1+(m−1)ρ](式 13.10) |
| 每阶段每整群评估 τ 个时点、ω=1 | 设计矩阵每列重复 τ 次 | DE = [(1+ρ(mSτ+bm−1))/(1+ρ(mSτ/2+bm−1))]·[3(1−ρ)/(2τ(S−1/S))](式 13.11) |
模型推断(本页复算):取 ρ=0.05、m=20、ω=0.5,整群 DE = 1+19×0.05 = 1.95,而
DE_cross = ½[1+0.95−0.5] = 0.725。可见 SWD 的 DE 可以远小于 1——因为每个整群自己前后对照,消除了大部分群间变异。但代价转移到(S+1):总人数 = 每阶段人数 × 阶段数 × DE。因此「SWD 省样本」这个说法只在按总人数比较、且阶段数不多时才成立;阶段数一多,(S+1) 会把 DE 的节省吃掉。原书没有这样表述,是本页由公式推出的结论。
与重复测量设计的联系
第 13.5 节专门讨论这一点:SWD 的横断面版本与第 10 章的重复测量设计在方差结构上同源(都是「个体/整群内多次观测 + 时间固定效应」),差别在于 SWD 的观测单位是整群、且处理分配随时间变化;封闭队列版本则更接近带时间效应的重复测量设计1。第 10 章式 (10.8) 的 R 因子与本节式 (13.2) 的 r 是同一类「类内相关压缩」参数。
例子与推断
模型推断(本页):SWD 的规划难点不在公式,而在三个相关性参数的先验值(ρ、ω、π)。三者都难以从文献直接取到,且 DE 对 ω 相当敏感(式 13.9 中
−mρω项直接扣减)。因此实际规划中应做敏感性分析,报告「若 ω 取 0.3/0.5/0.7,样本量如何变化」,而不是给单一数字。本书给出了参数定义与公式,但未强调敏感性分析的必要性——这是本页的补充建议。
分歧、限制与待核实
- 已解决:
ω的含义——英文原稿第 13 章图 13.4 明确为 cluster autocorrelation(整群自相关),与ρ(ICC)并列扩展 KCC 定义;ω=1表示各阶段相关完全持续(表 13.1 即按 ω=1 举例)。 - 待核实:式 (13.2) 的
T与S的精确区别(S为基线后阶段数已确定;T在译稿中出现在 13.2 节,但本页未能从英中两份原稿确定其定义);封闭队列的π的确切含义(随访相关)仍未核实。 - 限制:公式基于固定整群规模 m 与 compound-symmetric 型相关结构;整群规模变异(第 12 章式 12.6/12.8 处理过)在 SWD 中如何处理,本章未给出对应修正(待核实)。
- 本章示例仅 1 个(例 13.1 急性胸痛,横断面),封闭队列的完整算例本页未见。
相关知识
- 整群随机试验样本量 — DE=1+(m−1)ρ 的原型与整群规模变异修正
- 配对与重复测量样本量 — 第 10 章的 R 因子(同源方差结构)
- 平行两组比较样本量 — N₀ 的来源
- 样本量手册导航
参考文献
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Machin D, Campbell MJ, Tan SB, Tan SH. Sample Sizes for Clinical, Laboratory and Epidemiology Studies. 4th ed. Wiley-Blackwell; 2018. DOI: 10.1002/9781118874905. ISBN 9781118874943 / 9781118874905. 依据章节:第 13 章「阶梯楔入设计」(式 13.1–13.18;第 13.5 节与重复测量的联系)。 ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎
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同上,第 12 章「整群设计」(式 12.5 的整群 DE)。 ↩︎