Statistik Darstellung von Daten

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1 Statistik Darstellung von Daten Themenübersicht: Grundlegende statistische Verfahren: Mittelwert, Median,Standardabweichung, Standardfehler Regression mit Beispielen (Eichkurven, Korrelationskoeffizienten) t-tests, Normalverteilung, Varianzanalyse, parametrische und nichtparametrische Verfahren, Varianzenhomogenität, insb. im Hinblick auf Versuchsplanung, Stichprobenumfänge, Auswahl der statistischen Verfahren nach vorgegebenen Versuchsanordnungen Einführung in die computergestützte Statistik (Statgraphics, SPSS, SAS, BMDP), Demonstrationen am PC und Großrechner, Einführung in die Arbeit am EDV-Zentrum

2 Statistik Median Mittelwert Mittel aller Ränge a 2 sd 2 sd b c

3 Statistik-Standardabweichung Treatment Raw P-F / without oil P-F / olive oil P-F / corn oil P-F / phpo Steaming Total COPs (µg/g fat) 0.85 ± 0.35 a 6.00 ± 3.25 b 3.95 ± 1.06 b 4.40 ± 2.69 b 3.35 ± 0.07 b 9.90 ± 1.13 c Al-Saghir et al. J. Agric. Food Chem 2005,

4 Statistik-Standardabweichung Treatment Raw P-F / without 150 oil P-F / olive oil µg COPs/100 g Frischgewicht P-F / corn oil P-F / phpo 50 Steaming 0 13,1 Total COPs (µg/g fat) 0.85 ± 0.35 a 128, ± 3.25 b 3.95 ± 1.06 b 4.40 ± 2.69 b 3.35 ± 0.07 b 9.90 ± 1.13 c Al-Saghir et al. J. Agric. Food Chem 2005, in press 79,7 68,6 55,1 153,9 roh ohne Fett Olivenöl Maiskeimöl Kokosfett phpö gedämpft

5 Statistik-Boxplots ( ) 1.19 ( ) 1.19 ( ) 1.44 ( ) 1.63 ( ) Kreatininausscheidung (g/l, min-max) Jodausscheidung (µg/g Kreatinin) Elmadfa I, König J: Iodine Status of Austrian Children and Adolescents. Bibl Nutr Dieta 1998; 54: 58-66

6 Statistik-Korrelationen 100 Vitamin 25-OH-D3 [nmol/l] Alter [Jahre] Altersabhängigkeit des Vitamin D-Spiegels (r=-0,231, p=0,001) Schuh et al. 2003

7 Statistik-Korrelationen R 2 = Vitamin 25-OH-D3 [nmol/l] 80 Ratio SFA/PUFA % 200% 400% 600% 800% Increase of total COPs Alter [Jahre] Altersabhängigkeit des Vitamin D-Spiegels (r=-0,231, p=0,001) Korrelation der Steigerung des COPs-Gehaltes Schuh et al in µg/g Fett mit dem Verhältnis SFA/PUFA

8 Statistik Themenübersicht: Grundlegende statistische Verfahren: Mittelwert, Median, Standardabweichung, Standardfehler Regression mit Beispielen (Eichkurven, Korrelationskoeffizienten) t-tests, Normalverteilung, Varianzanalyse, parametrische und nichtparametrische Verfahren, Varianzenhomogenität, insb. im Hinblick auf Versuchsplanung, Stichprobenumfänge, Auswahl der statistischen Verfahren nach vorgegebenen Versuchsanordnungen Einführung in die computergestützte Statistik (Statgraphics, SPSS, SAS, BMDP), Demonstrationen am PC und Großrechner, Einführung in die Arbeit am EDV-Zentrum

9 Statistik [J - ]= log k [Ce 4+ ] 0 t [Ce 4+ ] t 0,6 0,5 Extinktion 0,4 0,3 0,2 J - 2 Ce 4+ +As 3+ 2 Ce 3+ +As 5+ 0, Zeit (s)

10 Statistik 0,6 1 Extinktion 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 -log E 0,8 0,6 0,4 0,2 [J - ] ~ log E t Zeit (s) -log = a + b [J - ] E p E ,8 Zeit (s) - log (Ep / Eo) 1 0,6 0,4 0, Jodkonzentration (µg/l)

11 Statistik-Korrelationen conc (µg/ml) Area Tocopherol-Standardreihe y = 10253x - 87, Area Linear (Area)

12 Statistik Themenübersicht: Grundlegende statistische Verfahren: Mittelwert, Median, Standardabweichung, Standardfehler Regression mit Beispielen (Eichkurven, Korrelationskoeffizienten) t-tests, Normalverteilung, Varianzanalyse, parametrische und nichtparametrische Verfahren, Varianzenhomogenität, insb. im Hinblick auf Versuchsplanung, Stichprobenumfänge, Auswahl der statistischen Verfahren nach vorgegebenen Versuchsanordnungen Einführung in die computergestützte Statistik (Statgraphics, SPSS, SAS, BMDP), Demonstrationen am PC und Großrechner, Einführung in die Arbeit am EDV-Zentrum

13 Statistik Abhängige und unabhängige Daten: Bei mehreren Messungen eines Merkmales an einer Versuchsperson zu unterschiedlichen Zeitpunkten spricht man von abhängigen Daten, bei Messungen eines Merkmales an mehreren Gruppen von Versuchspersonen handelt es sich um unabhängige Daten. Sowohl Versuchsplanung (Stichprobenumfänge) als auch statistische Auswertung werden von der Art der vorliegenden Daten festgelegt bzw. zumindest mitbestimmt.

14 Statistik-Stichprobenumfang Irrtumswahrscheinlichkeit N = 1000 N = % (p<0.05) 1% (p<0.01) N = 100 N = 100 5% (p<0.05) 1% (p<0.01) Meßgröße (z.b. n=)

15 Statistik Abhängige Daten: Bei mehreren Messungen eines Merkmales an einer Versuchsperson zu unterschiedlichen Zeitpunkten spricht man von abhängigen Daten Beispiel: Messung der β-carotin-konzentration im Plasma zu verschiedenen Zeitpunkten nach Supplementierung von insgesamt 20 mg β-carotin.

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17 Statistik Unabhängige Daten: bei Messungen eines Merkmales an mehreren Gruppen von Versuchspersonen handelt es sich um unabhängige Daten. Beispiel: Vergleich der Harnjodausscheidung österreichischer Bevölkerungsgruppen

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19 Statistik Wichtige statistische Testverfahren: t-test: für abhängige und unabhängige Daten zweier verschiedener Gruppen bzw. Zeitpunkte Voraussetzung: Normalverteilung Darf (normalerweise) nur für zwei Gruppen angewandt werden, bei mehr als zwei Gruppen sind andere Tests anzuwenden (Mann-Whitney-)U-Test: für unabhängige Daten in zwei Gruppen Voraussetzung: keine (verteilungsfrei bzw. nichtparametrisch) Wilcoxon-Test: für abhängige Daten in zwei Gruppen Voraussetzung: keine (verteilungsfrei bzw. nichtparametrisch)

20 Statistik Wichtige statistische Testverfahren: Varianzanalyse: für unabhängige Daten mehrerer Gruppen Voraussetzung: Normalverteilung, Varianzenhomogenität, Stichprobenumfang mindestens 10 einfaktorielle VA (ANOVA): für die Untersuchung eines Einlussfaktors mehrfaktorielle VA (MANOVA): für die Untersuchung mehrerer Faktoren multivariate VA (MANOVA): für die Untersuchung verschiedener Einflüsse Friedman-Test: für abhängige Daten in mehreren Gruppen Voraussetzung: keine (verteilungsfrei bzw. nichtparametrisch) (Kruskal-Wallis)-H-Test: für unabhängige Daten in mehreren Gruppen Voraussetzung: keine (verteilungsfrei bzw. nichtparametrisch)

21 Statistik Wichtige statistische Testverfahren: Crosstabs (Kreuztabellen): für die Auswertung von Fragebögen, basiert auf dem Chi-Quadrat-Test

22 Statistik - Kennzahlen Wichtige laborchemische Kennzahlen: Variationskoeffizient (CV): Er ist definiert als die relative Standardabweichung, d.h. die Standardabweichung dividiert durch den Mittelwert einer Zufallsvariablen X. In der Regel wird der Variationskoeffizient in Prozent angegeben (VK sollte max. 10 sein) Nachweisgrenze: bezeichnet den extremen Wert eines Messverfahrens, bis zu dem die Messgröße gerade noch zuverlässig nachgewiesen werden kann (in der Regel 3x Stabw. des Blindwertes) Bestimmungsgrenze: ist die kleinste Konzentration eines Analyten, die quantitativ mit einer festgelegten Präzision bestimmt werden kann (in der Regel um den Faktor 3 höher als die NW-Grenze) Wiederfindung: Definiert die Menge die analysiert wird nach Zugabe einer bekannten Konzentration (in der Regel %)

23 Validierung von Analyseverfahren ALMA-AK Vakidierung, 2007

24 Planung von epidemiologischen Untersuchungen Zu beachten: Fragestellung Studientyp Zeitpunkt/Zeitraum Methodik Teilnehmer/Matrix/in vivo/in vitro.. Fallzahl/Wiederholungen/Ansätze Datensammlung/GLP/Datensicherung Auswertung Interpretation/Fehler Publikation

25 Durchführung von Laborexperimenten Fragestellung: Wissenschaftliche Relevanz/Auftragsarbeit Ziel, Nullhypothese Bestehende Methoden/ Methodenneuentwicklung Eigenfinanzierung oder Fremdfinanzierung Bereits vollständig ausgearbeitetes Konzept (Einreichung bei einem Fonds) oder Stehgreifidee Untersuchungsmatrix/material

26 Durchführung von Laborexperimenten 1. Literaturrecherche: Was ist der aktuelle Wissensstand zum Thema? Wo gibt es noch offene Fragen, wo ergeben sich neue Fragen? Wie sind andere Wissenschafter ähnliche Fragestellungen angegangen? Sind veröffentlichte Ergebnisse fragwürdig und müssen eventuell wiederholt werden?

27 DATEBANKEN VT: große Auswahl an gelisteten Zeitschriften schnelle und einfache Suche unterschiedliche Such-/Ordnungsmöglichkeiten Organisationen Zeitschriften

28 Literaturrecherche Kombinationen wichtig: z.b. Health effects of Vitamin C Vitamin C: Treffer Vitamin C and review Vitamin C and health Vitamin C and health and review 207 Vitamin C health review clinical trial 20 Vitamin C health review clinical 59 Vitamin C health review clinical trial 56 Health effects of Vitamin C 394 Health effects of Vitamin C review 101

29 Durchführung von Laborexperimenten 2. Versuchsplanung erforderliches Material (Freiwillige, Versuchstiere, Chemikalien, Geräte, sonstiges Labormaterial) Kostenabschätzung (Personalkosten, Sachkosten, Investitionen, Abschreibungen, Overhead) - besonders wichtig bei drittmittelgeförderten Projekten) Erstellung eines Zeitplanes - besonders wichtig bei drittmittelgeförderten Projekten, Erstellung eines Projektplanes (Definition von klaren Etappenzielen, Zwischen- und Endberichte)

30 Durchführung von Laborexperimenten 3. Einholung aller erforderlichen Bewilligungen bei Tierversuchen: - Ethikkommission (vgl. Tierversuchsgesetz, usw.) - Einrichtungen zur Tierhaltung, Beschaffung der Versuchstiere, Versorgung der Versuchstiere - usw. bei Humanexperimenten: - Ethikkommission - Versicherung - Probandeninformation - Einverständniserklärung

31 Durchführung von Laborexperimenten Beispiel: Probandeninformation Bitte nehmen Sie sich die Zeit, die beiliegenden Informationen durchzulesen. Für weitere Fragen stehen wir Ihnen gerne zur Verfügung, vor allem, wenn Sie etwas nicht verstanden haben. Sie sollten sich nicht verpflichtet fühlen, an der geplanten Studie teilzunehmen. Falls Sie sich für eine Teilnahme entscheiden, können Sie jederzeit, d.h. auch während des Versuches, ohne Angaben von Gründen Ihr Einverständnis zurückziehen; es entstehen Ihnen daraus keine Nachteile, wenn Sie eine solche Entscheidung treffen. Der Prüfungsleiter verpflichtet sich, jede neue Information, die verfügbar wird und die relevant für Sie sein könnte, Ihnen zur Kenntnis zu bringen.

32 Durchführung von Laborexperimenten Beispiel: Probandeninformation Inhalte: 1. Einleitung: Wozu dient die Studie? (Wissensstand in leicht verständlicher Form) 2. Ziel der Studie: Was wird an Ergebnissen erwartet? 3. Untersuchungsstelle und Untersucher: Wo und von wem werden die Untersuchungen durchgeführt (einschl. Adresse und Telefonnummer, für Rückfragen) 4. Ethische Voraussetzungen: Genehmigung durch die Ethikkommission

33 Durchführung von Laborexperimenten 5. Risiken der Studie: z. B.: Vitamin E gilt bei Dosierungen bis zu 300 mg pro Tag als absolut untoxisch. Die Blutentnahmen zur Bestimmung der verschiedenen Blutparameter erfolgen durch Venenpunktion unter ärztlicher Kontrolle. Hierbei kann es in seltenen Fällen zu einer Venenentzündung kommen. Generell kann es durch jede Punktion der Venenwand zu einem kleinen Bluterguß kommen.

34 Durchführung von Laborexperimenten 6. Teilnahmebedingungen: z.b.: Um an dieser Studie teilnehmen zu können, müssen bestimmte Voraussetzungen erfüllt sein: Ihr Alter muß zwischen 20 und 30 Jahren liegen. Sie dürfen das Ihrer Größe entsprechende Normalgewicht bzw. Ihren Body Mass Index um höchstens 15% über- oder unterschreiten. Sie müssen körperlich gesund sein und normale Befunde bei den Laborwerten aufweisen. Sie dürfen während der letzten 10 Tage vor Beginn der Studie keine Antioxidantien wie Vitamin E, Vitamin C, ß-Carotin o.ä. eingenommen haben. Sie dürfen keinerlei Drogen oder Rauschgifte einnehmen und nicht mehr als 5 Zigaretten pro Tag rauchen.

35 Durchführung von Laborexperimenten 7. Ablauf der Studie: Zeitplan, was findet wann und wo statt? 8. Verhalten der Probanden während der Studie 9. Schutz personenbezogener Daten 10. Aufwandsentschädigung 11. Einverständniserklärung

36 Durchführung von Laborexperimenten 11. Einverständniserklärung: Ich habe ausreichend Zeit gehabt, mich anhand der Probandenaufklärung über Risiken, Ziele der Studie und den Studienablauf zu informieren. Ich habe alle Informationen verstanden. Ich erkläre mich zur Teilnahme an der oben beschriebenen Untersuchung bereit. Mit den genannten Blutabnahmen und Untersuchungen bin ich einverstanden. Für die Durchführung dieser Studie ermächtige ich den Leiter und seine beauftragten Mitarbeiter die medizinischen, persönlichen und während der Studie erhobenen Daten von mir einzusehen und, soweit für die Studie erforderlich, ohne Namensnennung verschlüsselt weiter zu verwenden. (...)

37 Durchführung von Laborexperimenten 11. Einverständniserklärung: (...) Ich bin darüber informiert worden, daß die Teilnahme an der Untersuchung völlig freiwillig ist und meine Zustimmung jederzeit widerrufen werden kann. Wien, den... Unterschrift

38 Durchführung von Laborexperimenten Ethikkommission Die antioxidative Wirkung von γ-tocopherol in Lebensmitteln und in vitro (Inkubationsversuche) ist höher als die von α-tocopherol. Die Biowirksamkeit des α-tocopherols in vivo dagegen, die höchstwahrscheinlich hauptsächlich auf dessen Wirkung als primäres Antioxidans beruht, ist auf Basis der Ergebnisse von Untersuchungen im Tiermodell (Ratte, Schwein, u.a.) etwa viermal höher als von γ-tocopherol. Die dieser Berechnung zugrunde gelegten Parameter waren Stabilität der Erythrocytenmembran (Hämolysetest), Lebermitochondrien-funktion (state-3- Atmung, Respiratory Control Index), die Aktivität diverser membranassoziierter Enzyme, die Peroxidation der Mitochondrienmembran-Lipide und Peroxidation des Lebergewebes. (...)

39 Durchführung von Laborexperimenten Ethikkommission (...) Derzeit wird demnach die Vitamin E-Wirksamkeit des γ- Tocopherols beim Menschen mit etwa einem Viertel der Wirksamkeit des α-tocopherols angenommen, obwohl nur Ergebnisse aus Tierversuchen vorliegen, die zudem nur Angaben für einzelne Organe oder Organsysteme liefern und keine Gesamtwirksamkeit für das antioxidative System. Daher soll mit dem folgenden Versuch einerseits die Bioverfügbarkeit sowie der postabsorptive Transport des γ-tocopherols geklärt und der Stellenwert des γ-tocopherols im antioxidativen System des Menschen im Vergleich zum α-tocopherol untersucht werden. (...)

40 Durchführung von Laborexperimenten Ethikkommission (...) Material und Methoden: Freiwillige männliche, stoffwechselgesunde und normalgewichtige Probanden (n = 30) im Alter von ca Jahren werden in die Studie aufgenommen. Nach einer Eingangsuntersuchung (T0) werden sie in einer zweiwöchigen Einstellphase mit einer definierten Kostform mit einem normalen Gehalt an γ-tocopherol (entsprechend den DGE-Empfehlungen: 12 mg α-tocopheroläquivalente = 48 mg γ-tocopherol) ernährt. Anschließend werden die Probanden randomisiert auf zwei Gruppen verteilt (n = 15 pro Gruppe) und untersucht (T1). (...) Hierzu ist zu den verschiedenen Zeitpunkten die Abnahme von ca. 50 ml Vollblut erforderlich. (...)

41 Durchführung von Laborexperimenten (...) Basierend auf dem Hauptzielparameter LDL-Oxidation Basierend auf einer Methodenstreuung von 5% =Genauigkeit basierend auf einer vorgegebenen Irrtumswahrscheinlichkeit von 5% =p<0.05 (Konv. Intervall von 95%) und einer Power von 0.80 Beträgt die Mindestfallzahl (n=) 25

42 Durchführung von Laborexperimenten (...) Für die Probanden besteht durch die Aufnahme an γ-tocopherol absolut kein Risiko, da die applizierten Mengen den aktuellen DGE-Empfehlungen entsprechen. Das Risiko der Blutabnahmen selbst ist minimal, da diese durch einen approbierten Arzt erfolgen und die abgenommenen Mengen (ca. 40 ml alle zwei Wochen) keine Belastung für den Organismus darstellen. Durch die zu erwartenden Erkenntnisse über die Vitamin E-Wirksamkeit des γ-tocopherols ergeben sich neue Möglichkeiten zur Verbesserung des Vitamin E-Status der Bevölkerung und im Einsatz von γ-tocopherol bei der Prophylaxe gegenüber Erkrankungen, die mit der gesamten antioxidativen Kapazität des menschlichen Organismus assoziiert sind. Daher ergibt sich ein hohes Nutzen-Risiko-Verhältnis für die geplante Studie.

43 Durchführung von Laborexperimenten Als statistische Power eines Tests bezeichnet man die Wahrscheinlichkeit, mit der ein statistischer Test eine spezifische richtige Alternative unter den Rahmenbedingungen seines Einsatzes (Fallzahl, Signifikanzniveau) auch als solche entdeckt. Abhängig von Fallzahl, Signifikanzniveau! 2 Therapiearme (Mortalität: 21% vs. 13%), p<0.05: N Power p< Power 50 0,11 0,001 0, ,32 0,01 0, ,66 0,05 0, ,92 0,1 0,77

44 Durchführung von Laborexperimenten 4. Unmittelbar vor Beginn der Studie Abklärung der erforderlichen Geräteauslastung Abklärung der erforderlichen Lagerkapazitäten für die gezogenen Proben Abklärung aller methodischen Aspekte (Probenaufarbeitung, Probentransport, Probenlagerung, Stabilität der Proben, Vorbereitung der Geräte) Beschaffung aller Materialien (Probengefäße, Blutabnahmesysteme, Chemikalien, sonstiges Verbrauchsmaterial) Erstellung eines Probenkodierungsschemas, Vorbereitung der Probengefäße, Beschriftung, Lagersystem, usw.

45 Durchführung von Laborexperimenten 5. Weitere methodische Aspekte Kennenlernen der Geräte einschließlich Pflege, Wartung, Behebung kleinerer Probleme, Geräteprinzip, Meßprinzip Abklärung der Möglichkeiten und Grenzen der angewandten Methoden (Aussagekraft der Ergebnisse) Validierung der Methoden (Eichkurven, Peakidentifizierung, Ringversuche, Wiederholbarkeit, Wiederfindung, Linearität, Reproduzierbarkeit)

46 Durchführung von Laborexperimenten 6. Während der Studie: Good Laboratory Praxis (GLP) ALLE Ergebnisse sind sofort und auf dauerhaft lesbaren Materialien zu dokumentieren, d.h. auch Zwischenergebnisse (Chromatogramme, Extinktionen, alle Berechnungen, Standards, Verdünnungsschritte, usw.): LABORBUCH!!! Die Dokumentation auf elektromagnetischen Medien (Disketten, Festplatten) reicht nicht aus zur GLP- Konformität, da nicht dauerhaft. Trotzdem: rechtzeitige Eingabe der Daten in den PC in entsprechender Form (s. Statistikteil), Datensicherung ISO 900x

47 Durchführung von Laborexperimenten 6a. Exkurs Datensicherung: Grundsätzlich sind magnetische Datenträger als dauerhaftes Speichermedium nicht zu gebrauchen. Die Sicherheit nimmt in folgender Reihenfolge ab: Server > Festplatten > Wechselplatten > Disketten Die Datensicherung auf CD-R(W) ist hingegen als relativ sicher zu bezeichnen. Bei allen Methoden der Datensicherung gilt: regelmäßige Sicherung auf verschiedenen Medien. Viren sind seltener, als befürchtet, aber häufiger, als erhofft. Daher: Vorsicht bei Dateien ungewisser Herkunft! Eine der sichersten Methoden (und deswegen GLPkonform) ist immer noch der (Laser-)Ausdruck!

48 Durchführung von Laborexperimenten 7. Datenauswertung s. Statistik-Teil Die angewandten statistischen Testverfahren sind Teil der verwendeten Methoden und daher unter Angabe der zur Auswertung verwendeten Software im Material- und Methodenteil anzugeben.