A short introduction to epidemiologyChapter 4: More complexstudy designs
Neil Pearce
Centre for Public Health Research
Massey University
Wellington, New Zealand
graph rightcorner bit
Birth
End of Follow up
Death
other death
lost to follow up
“non-diseased”
symptoms
severe disease
graph rightcorner bit
Study Design Options
All epidemiological studies are (or should be)based on a particular population (the sourcepopulation) followed over a particular periodof time (the risk period)
The different study design options differ onlyin how the source population is defined andhow information is drawn from this populationand time period
graph rightcorner bit
Incidence and Prevalence
Incidence is the number of new cases of thecondition over a specified period of time
Prevalence is the number of cases of thecondition at a particular point in time
graph rightcorner bit
Study Design Options
graph rightcorner bit
face_graphMIDfadeonly
Chapter 4More complex study designs
Other axes of classification
Continuous outcomemeasures
Ecologic and multi-levelstudies
graph rightcorner bit
Other axes of classification
Continuous exposure data
Timing of collection of exposure data(retrospective, prospective)
Sources of exposure information (interviews,routine records, biomarkers)
Level of measurement of exposure(individual, population)
graph rightcorner bit
face_graphMIDfadeonly
Chapter 4More complex study designs
Other axes of classification
Continuous outcomemeasures
Ecologic and multi-levelstudies
graph rightcorner bit
Continuous Outcome Measures
Lung function in a cross-sectional study (aprevalence study is a cross-sectional studywith a dichotomous outcome measure)
Changes in lung function over time in alongitudinal study (an incidence study is alongitudinal study with a dichotomousoutcome measure)
graph rightcorner bit
Continuous Outcome Measures
Tager et al (1983), longitudinal study ofpulmonary function in children aged 5-9years, followed for 7 years
Exposures: maternal smoking
Outcomes: annual increase in FEV1 (thiswas 28mL lower in children exposed tomaternal smoking)
graph rightcorner bit
Continuous Outcome Measures
Roemer et al (1993), time series study ofwinter air pollution and respiratory health ofchildren aged 6-12 years
Exposures: daily air pollution measures
Outcomes: asthma symptoms, medicationuse (e.g. wheeze was more common on dayswhen particulate concentrations were high
graph rightcorner bit
Cross-Sectional Studies
Particularly valuable for:
Non-fatal diseases
Degenerative diseases with no clear point ofonset (e.G. Chronic bronchitis)
Examining effects on physiologic variables(e.G. Liver enzyme levels, blood pressure,lung function)
graph rightcorner bit
Cross-Sectional Studies: Examples
General household surveys (e.g. England andWales, Spain, New Zealand)
National Health and Nutrition Examination Survey(USA)
International surveys (e.g. European CommunityRespiratory Health Survey (ECRHS), InternationalStudy of Asthma and Allergies in Childhood(ISAAC)
Pre-employment surveys
Studies in specific populations (e.g. occupationalhealth research)
graph rightcorner bit
Cross-Sectional studies
Disease is measured at one point in time
Exposure may be measured at the same timeand/or historical exposure information maybe available
May be difficult to know the temporalrelationship between exposure and disease
This problem is avoided in repeated cross-sectional studies
graph rightcorner bit
Study Design Options
Case series
Incidence studies
Incidence case-control studies
Prevalence studies
Prevalence case-control studies
Cross-sectional studies (with continuousoutcome measure)
Longitudinal studies (with continuousoutcome measure)
graph rightcorner bit
face_graphMIDfadeonly
Chapter 4More complex study designs
Other axes of classification
Continuous outcomemeasures
Ecologic and multi-levelstudies
graph rightcorner bit
Ecologic Studies
An  ecologic study is a study in which oneor more exposures (or confounders) ismeasured at the population level ratherthan the individual level
graph rightcorner bit
Reasons for Ecologic Studies
Low cost and convenience
Measurement limitations of individual-levelstudies (e.g. diet, air pollution)
Design limitations of individual-level studies(e.g. lack of exposure variation)
Interest in ecologic effects
Simplicity of analysis and presentation
graph rightcorner bit
Levels of Measurement
Individual measures, e.g. smokingstatus, income
Aggregate measures, e.g. % smokers,median family income
Environmental measures, e.g. airpollution levels
Global measures, e.g. smokinglegislation, income inequality, GNP, typeof health care system, populationdensity
graph rightcorner bit
Levels of Analysis
Individual level, e.g. average level of air pollutionis “assigned” to each individual, and individualage, gender, ethnicity, smoking status areknown
Partially ecologic analysis: e.g. some variablesknown for individuals (age, gender, air pollution)but others for the population (%smokers)
Fully ecologic analysis: all information onexposure and disease only known for thepopulation
graph rightcorner bit
Levels of Analysis
Multilevel analysis
First level: individual level analysis withineach group (population)
Second level: regression parameters fromfirst level are modelled as a function ofecologic variables
e.g. Humphreys and Carr-Hill (1991) usedmultilevel modeling to estimate the contextualeffect of living in a poor area, controlling forindividual income and other risk factors
graph rightcorner bit
Levels of Inference
Individual (e.g. fat intake and breast cancer)
Contextual (e.g. living in a poorneighbourhood)
Ecologic (e.g. GNP, income inequality)
The major problem is with cross-levelinferences, e.g. using ecologic data toestimate the individual risk from fat intake
graph rightcorner bit
12 Month Period Prevalence of Asthma Symptoms in 13-14 Yr Old Children
graph rightcorner bit
The Ecologic Fallacy in ISAAC:Indoor Humidity and Asthma
graph rightcorner bit
The Ecologic Fallacy in ISAAC:Indoor Humidity and Asthma
graph rightcorner bit
Example of ecologic data
graph rightcorner bit
Example of ecologic data
graph rightcorner bit
Example With No Confounding byGroup
graph rightcorner bit
Example With Confounding by Group
graph rightcorner bit
Example With Effect Modificationby Group
graph rightcorner bit
Problems of Ecologic Studies
Ecologic bias, in estimating effects at the individual levelmay result from:
Within group bias: if there is confounding, selectionbias or misclassification within each group then theecologic estimate may also be biased
Confounding by group: the “background” disease ratevaries across groups
Effect modification by group: the “excess rate” due toexposure varies across groups
graph rightcorner bit
Problems of Ecologic Studies
The major problems of “ecologic bias” arise fromattempts at cross-level inference, e.g. in studieswhere the intention is to make inferences at theindividual level
Nevertheless, ecologic studies have played a majorrole in the development, and to some extent in thetesting, of epidemiological hypotheses
Furthermore, some important risk factors can onlybe studied at the population level.
A short introduction to epidemiologyChapter 4: More complexstudy designs
Neil Pearce
Centre for Public Health Research
Massey University
Wellington, New Zealand