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Statistics · Lesson 04.2

多组独立分类资料的 R×C 卡方检验

比较多个独立总体的率或构成比,检查理论频数条件,并在总体检验后进行经过多重校正的事后比较。

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04.2.1 应用的基本条件与示例

多组独立卡方检验(通常指无序 R × C 交叉表卡方)的核心用于推断多个独立总体的构成比(或率)是否存在差异。

A. 必须满足的基本条件:

观测独立性:每个受试者只能归属于交叉表中的一个格子(不能重复计数)。

变量属性:行变量和列变量均为无序分类变量(如果是等级资料,通常不适用此方法)。

理论频数的限制(最关键的量化条件):

总样本量 N ≥40。

整个交叉表中,理论频数(Expected Count) T< 5 的格子(Cell)比例不能超过 20%。

绝不能有任何一个格子的理论频数 T< 1。

B. 满足条件的正面示例:

研究背景:某骨科科研团队想评估三种不同的生物材料(A、B、C 三种水凝胶支架)对大鼠骨缺损修复的质量(分为:纤维性修复、骨性软骨修复、完全骨性修复,均为无序分类)。

数据情况:总共投入60只大鼠,每组20只。实验结束后,各格子的大鼠实际数量(实际频数)分布均匀,经计算后没有一个格子的理论频数T< 5。

判定:完全满足多组独立卡方条件,且T均≥5。

C. 不满足条件的负面示例(临床常见坑):

研究背景:对比四种靶向药物(药物 1、2、3、4)在某种罕见胃癌治疗中发生严重不良反应(皮肤毒性、血液毒性、肝毒性、肾毒性)的分布差异。

数据情况:因为是罕见病,总样本量只有40例。进入 R×C 交叉表后,大量的格子实际观察数和理论频数都变成了 <5。

为什么不满足:

总样本量 N = 40,处于临界值,单纯这一项可包容。

超过 50% 的格子理论频数 T< 5。

不满足时的纠正策略:不能直接做R×C 卡方。SPSS 中应当改用 Fisher 精确检验(多组扩展版,基于 Monte Carlo 模拟或确切概率),或者根据临床实际情况将发生率极低的组别进行合并或删减。

04.2.2 核心概念深度剖析:理论频数(Expected Count)

A. 定义

理论频数是指:在完全承认“无效假设(H_0:各组间没有差异,两变量完全独立)”的前提下,根据行、列的总合计人数,理论上按比例分配到交叉表各个格子里的期望数值。

B. 生物学与统计学意义

卡方检验的本质是看“实际观测值(Observed, O)”与“理论期望值(Expected, E)”之间的偏离程度。

如果每个格子的实际人数和理论人数高度接近,说明实际结果符合“无差异”的假设,卡方值极小,P值很大。

如果某些格子实际人数远超或远低于理论人数,说明“无差异”的假设站不住脚,卡方值变大,P值趋于 < 0.05。

C. 计算方式

不需要死记硬背公式,其核心逻辑是“概率乘法原理”:

\[E_{ij}=\frac{(\text{第 }i\text{ 行合计})(\text{第 }j\text{ 列合计})}{N}\]
入路未融合部分融合完全融合合计
前路组实际值 (O): 4

理论值 (T): (40×13)/90≈5.78
实际值 (O): 12

理论值 (T): (40×28)/90≈12.44
实际值 (O): 24

理论值 (T): (40×49)/90≈21.78
40
后路组实际值 (O): 7

理论值 (T): (20×13)/90≈2.89
实际值 (O): 10

理论值 (T): (20×28)/90≈6.22
实际值 (O): 3

理论值 (T): (20×49)/90≈10.89
20
联合组实际值 (O): 2

理论值 (T): (30×13)/90≈4.33
实际值 (O): 6

理论值 (T): (30×28)/90≈9.33
实际值 (O): 22

理论值 (T): (30×49)/90≈16.33
30
合计13284990

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多组独立分类资料的 R×C 卡方检验课程图 1
04.2 课程图 1

04.2.3 案例数据与 SPSS 演示实战

A 示例收满与数据录入:

“三种不同手术入路(前路、后路、联合入路)对复杂腰椎骨折患者植骨融合效果(未融合、部分融合、完全融合)的影响”。

原始数据在 SPSS 中呈“一人一行”排列(共 90 行,这里简写展示)

多组独立分类资料的 R×C 卡方检验课程图 2
04.2 课程图 2
多组独立分类资料的 R×C 卡方检验课程图 3
04.2 课程图 3

B SPSS 详细操作流程

“三种不同手术入路(前路、后路、联合入路)对复杂腰椎骨折患者植骨融合效果(未融合、部分融合、完全融合)的影响”。

原始数据在 SPSS 中呈“一人一行”排列(共 90 行,这里简写展示)

第一步:数据检查与导入

打开 SPSS,确保变量视图中 Group 和 Outcome 的测量类型(Measure)均设置为名义(Nominal,无序分类)。

多组独立分类资料的 R×C 卡方检验课程图 4
04.2 课程图 4

第二步:进入核心模块

点击顶部菜单:分析 (Analyze) ──► 描述统计 (Descriptive Statistics) ──► 交叉表 (Crosstabs...)。

多组独立分类资料的 R×C 卡方检验课程图 5
04.2 课程图 5

第三步:变量布局

将 手术入路 [Group] 选入 行 (Row) 框中。

将 融合效果 [Outcome] 选入 列 (Column) 框中。

第四步:勾选关键统计量与条件检查

点击右侧 “统计 (Statistics...)” 按钮:勾选 卡方 (Chi-square)。点击继续。

多组独立分类资料的 R×C 卡方检验课程图 6
04.2 课程图 6

点击右侧 “单元格 (Cells...)” 按钮(用于检查理论频数是否达标):

在“计数 (Counts)”中,同时勾选 实测值 (Observed) 和 预测值/理论值 (Expected)。

(可选) 在“百分比 (Percentages)”中勾选 行 (Row),方便查看构成比。点击继续。

多组独立分类资料的 R×C 卡方检验课程图 7
04.2 课程图 7

在“交叉表”主弹窗的右侧,点击最上方的 “精确 (Exact...)” 按钮,选择Monte Carlo(默认是Asymptotic only)。

多组独立分类资料的 R×C 卡方检验课程图 8
04.2 课程图 8

第五步:运行与结果判读

点击 确定 (OK),SPSS 将输出两个核心表格。

1. 交叉表(检查基本条件是否满足):

注意看输出的表格,每个格子都会有两行字:Count(实际人数)和 Expected Count(理论人数)。

检查所有格子的 Expected Count,看看有没有 < 5 的。

本组病例为3×3交叉表,当中共有9个格子,其中两个是小于5的,超过了20%。最标准的是使用Fisher检验的结果

多组独立分类资料的 R×C 卡方检验课程图 9
04.2 课程图 9
多组独立分类资料的 R×C 卡方检验课程图 10
04.2 课程图 10
多组独立分类资料的 R×C 卡方检验课程图 11
04.2 课程图 11

第六步:事后两两比较

第一种方法:同样进入菜单:分析 ──► 描述统计 ──► 交叉表。

点击右侧的 “单元格 (Cells...)” 按钮。

在弹出的窗口中,找到 “百分比 (Percentages)” 区域,勾选 行 (Row)(这样能看到每组的融合率构成比)。

【核心步骤】 找到 “列比例 (Compare column proportions)” 区域:

勾选 比较列比例 (Compare column proportions)。

勾选 调整 p 值 (Bonferroni 法) (Adjust p-values (Bonferroni method))。

点击继续,然后点击确定运行。

多组独立分类资料的 R×C 卡方检验课程图 12
04.2 课程图 12
多组独立分类资料的 R×C 卡方检验课程图 13
04.2 课程图 13

第二种方法:自己计算一下矫正后的阿拉法。进行两两比较,取校正后的P值

\[m=\frac{R(R-1)}{2}\]

如果有三个组,m=3*(3-1)/2=3,那么α'=α/3

因为 3 个组一共比了 3 次,所以名义显著性水准 alpha 需要被“割”三刀

\[\alpha'=\frac{0.05}{3}\approx0.0167\]