第21章診斷試驗的ROC分析ppt課件

1、第第21章章 診斷試驗的診斷試驗的ROC分析分析學(xué)習(xí)目標(biāo) 熟悉診斷試驗的常用評價指標(biāo)； 熟悉ROC曲線的含義以及構(gòu)建； 通過SAS實例掌握進行ROC分析的SAS程序；概述 診斷性試驗是對疾病進行診斷的試驗方法，它不僅包括實驗室檢查，還包括各種影像診斷，如X-診斷、CT、核磁共振(MRI) 、超聲波診斷以及同位素檢查、纖維內(nèi)診鏡、電鏡等診斷方法。診斷性試驗(diagnostic test) 的質(zhì)量通常用敏感度和特異度來衡量。在同一試驗中，如果取不同的臨界值，則可得到不同的敏感度和特異度，將這些點在以敏感度為Y軸，以(1-特異度) 為X軸的坐標(biāo)上標(biāo)出并連成線，就可得到一條ROC曲線。 概述 曲線上

2、最接近左上角的一點的坐標(biāo)就表示這一試驗的敏感度和特異度。對同一檢測指標(biāo)的多個不同試驗進行Meta 分析，可根據(jù)它們的比值比的權(quán)重，用一條ROC曲線表示出來，這條曲線稱為SROC 曲線，從這條SROC 曲線得到該組研究的敏感度和特異度，這樣的方法稱SROC法或集成ROC法。自從八十年代起該方法廣泛用于醫(yī)學(xué)診斷性能的評價，如用于診斷放射學(xué)實驗室醫(yī)學(xué)癌癥的篩選和精神病的診斷尤其是醫(yī)學(xué)影像診斷準(zhǔn)確性的評價。 診斷試驗 對于診斷試驗的評價，首先應(yīng)知道受試者人、動物或影像等的真實類別，即哪些屬于對照組(或無病組，正常組，噪聲組等)，哪些屬于病例組(或有病組，異常組，信號組等)。劃分病例與對照這兩個組的標(biāo)準(zhǔn)

3、就是金標(biāo)準(zhǔn)。醫(yī)學(xué)研究中常見的金標(biāo)準(zhǔn)有：活組織檢查、尸體解剖、手術(shù)探查和跟蹤隨訪結(jié)果等。盡管金標(biāo)準(zhǔn)不需要十全十美，但是它們應(yīng)比評價的診斷試驗更加可靠，且與評價的診斷試驗無關(guān)。 診斷試驗 對于按金標(biāo)準(zhǔn)確定的二項分類總體，如病例與對照(分別記為D+與D-)，采用診斷試驗檢測的結(jié)果可分別寫成陽性與陰性記為T+與T-），資料可列成表21-1的四格表形式。表中有四個可能結(jié)果，其中兩個是正確的，即病例被診斷為陽性真陽性，TP和對照被診斷為陰性真陰性，TN）；兩個是錯誤的，即病例被診斷為陰性假陰性，F(xiàn)N和對照被診斷為陽性假陽性，F(xiàn)P）。診斷試驗診 斷 結(jié) 果(T)金標(biāo)準(zhǔn)(D)合計病例(D+)對照(D-)陽 性

4、(T+)TP(真陽性)FP(假陽性)TP+FP陰 性(T-)FN(假陰性)TN(真陰性) FN+TN合計TP+FNFP+TNN診斷試驗評價指標(biāo) 評價診斷試驗的常用指標(biāo)有一致百分率、靈敏度、特異度、Youden指數(shù)、陽性似然比、陰性似然比、陽性預(yù)報值和陰性預(yù)報值。一致百分率一致百分率是病例正確診斷為陽性與對照正確診斷為陰性的例數(shù)之和占總例數(shù)的百分率。計算公式為：其標(biāo)準(zhǔn)誤為一致百分率100NTNTP3/ )(NFNFPTNTPSE）（一致百分率一致百分率 一致百分率很大程度上依賴于患病率，如某病的患病率為5%，即使不采用診斷試驗，且將所有研究個體劃歸為陰性，也可得到一致百分率為95%；其次，它沒有

5、利用假陰性和假陽性的信息，相同的一致百分率可能有十分不同的假陰性和假陽性；第三，它還受診斷界點的限制。因此，診斷試驗評價只用該指標(biāo)粗略地表達診斷試驗的一致性，更常用的診斷試驗評價指標(biāo)是靈敏度、特異度等。靈敏度 實際患病且被診斷為陽性的概率就是靈敏度，也稱為真陽性率，即： 其標(biāo)準(zhǔn)誤為： 該指標(biāo)只與病例組有關(guān)，反映了診斷試驗檢出病例的能力。 TPRFNTPTPsen)/()1 ()/(3FNTPSenSenFNTPFNTPSEsen特異度 實際未患病且被診斷為陰性的概率就是特異度，即： 其標(biāo)準(zhǔn)誤為： 該指標(biāo)只與對照組有關(guān)，反映了診斷試驗排除非病例的能力。)/(FPTNTNSpe)/()1 ()/(

6、3TNFPspespeTNFPTNFPSEspe靈敏度與特異度 靈敏度與特異度具有不受患病率影響的優(yōu)點，其取值范圍均在(0，1)之間，其值越接近于1，說明其診斷試驗的價值越好。 當(dāng)比較兩個診斷試驗時，單獨使用靈敏度或特異度，可能出現(xiàn)一個診斷試驗的靈敏度高、特異度低，而另一個診斷試驗的靈敏度低、特異度高，無法判斷哪一個診斷試驗更好。由此，有人提出了將靈敏度和特異度結(jié)合的診斷試驗評價指標(biāo)，如Youden指數(shù)、陽性似然比、陰性似然比等。Youden指數(shù) 真陽性率與假陽性率之差就是Youden指數(shù)，即： 其標(biāo)準(zhǔn)誤為 Youden指數(shù)的取值范圍在(-1, +1)之間，其值越接近于+1，診斷準(zhǔn)確性越好。F

7、PRTPRSpeSenJ1)/()1 ()/()1 ()/()/(33TNFPSpeSpeFNTPSenSenTNFPTNFPFNTPFNTPSEJ陽性似然比 真陽性率與假陽性率之比，即靈敏度與誤診率之比就是陽性似然比 （LR+）， 的取值范圍為(0, )，其值越大，檢測方法證實疾病的能力越強。 的標(biāo)準(zhǔn)誤涉及到對數(shù)變換，這里不予給出；以下幾個指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)誤計算也較復(fù)雜，也不予給出。)1/(/SpeSenFPRTPRLRLRLR陰性似然比 假陰性率與真陰性率之比，即漏診率與特異度之比為陰性似然比 的取值范圍為(0, )，其值越小，檢測方法排除疾病的能力越好。 SpeSenFPRTPRLR/ )1

8、()1/()1 (LR陽性預(yù)報值 在通常的情況下，當(dāng)要對某疾病作出診斷時，并不知道金標(biāo)準(zhǔn)的結(jié)果，只知道診斷試驗是陽性或陰性。而臨床醫(yī)生更想知道的是：當(dāng)診斷試驗陽性時，受試者真正有病的概率有多大；陰性時又有多大把握排除此病。這就需要引入陽性預(yù)報值PV+）與陰性預(yù)報值PV_的概念。陽性預(yù)報值 試驗結(jié)果陽性時，受試者實際為病例的概率就是陽性預(yù)報值，即 由上式可以看出，當(dāng)靈敏度與特異度為常數(shù)時，增加患病率，將降低 ，添加 的值，從而整個分母的值減少，陽性預(yù)報值增加。)1)(1 ()/(000PSpeSenPSenPFPTPTPPV)1)(1 (0PSpe0SenP陰性預(yù)報值 診斷試驗結(jié)果陰性時，受試者

9、實際為非病例的概率就是陰性預(yù)報值PV_），即 上式中符號的意義與前面相同。當(dāng)靈敏度與特異度為常數(shù)時，增加患病率將降低陰性預(yù)報值。PV+和PV_的取值范圍在(0，1)之間；對于相同的患病率，其值越接近1，檢測方法的診斷價值越高。)1)(1 ()/(000PSenSpePSpePFNTNTNPV正確百分率 是病例正確診斷為陽性與對照正確診斷為陰性的例數(shù)和占總例數(shù)的百分比，它很大程度上依賴患病率，如患病率為5%，完全無價值地診斷所有樣本為陰性也可有95%的正確百分率；其次，它沒有揭示假陰性和假陽性錯誤診斷的頻率，相同的正確百分率可能有完全不同的假陰性和假陽性。第三 它也受診斷閾值的限制，更好的方法是

10、計算靈敏度和特異度，它們的值越高診斷性能越好。靈敏度和特異度等指標(biāo)均可不同程度反映了診斷的準(zhǔn)確性和特異性。 ROC曲線 應(yīng)用這對指標(biāo)最明顯的問題是比較兩個診斷系統(tǒng)時可能出現(xiàn)一個診斷系統(tǒng)的靈敏度高而另一個特異度高，無法判斷哪一個診斷系統(tǒng)更好，此時可將靈敏度和特異度結(jié)合改變診斷閾值獲得多對靈敏度和1-特異度即TPR和FPR值，繪制ROC曲線，作ROC分析來解決這一問題。 ROC曲線 以假陽性率FPR為橫軸，真陽性率TPR為縱軸，橫軸與縱軸長度相等形成正方形。在圖中將ROC工作點標(biāo)出用直線連接各相鄰兩點構(gòu)建非光滑ROC 曲線。構(gòu)建光滑曲線需要假設(shè)對照組和病例組服從某種分布，用一曲線擬合技術(shù)估計參數(shù)，

11、直接用參數(shù)產(chǎn)生。也可采用肉眼目測構(gòu)建光滑曲線。注意無論資料類型如何曲線一定通過(0，0)和(1，1)這兩點，這兩點分別相當(dāng)于靈敏度為0而特異度為1和靈敏度為1而特異度為0。 ROC曲線 理論上，完善的診斷有TPF=1，F(xiàn)PF=0，圖中表現(xiàn)為ROC曲線從原點垂直上升到圖的左上角，然后水平到達右上角；完全無價值的診斷有TPF=FPF，是一條從原點到右上角的對角線；一般ROC曲線位于正方形的上三角。圖20-1就是ROC曲線的一個示例。ROC曲線ROC曲線 ROC曲線對診斷的準(zhǔn)確性提供了直觀的視覺印象，描述了相反兩種狀態(tài)間診斷系統(tǒng)的判別能力。曲線上的每一點代表了隨著病例診斷閾值或置信閾變化的靈敏度與特

12、異度的折衷。嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)生較低的靈敏度和較高的特異度，ROC點位于曲線的左下方；寬松的標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)生較高的靈敏度和較低的特異度，ROC點位于曲線的右上方。如果比較的診斷系統(tǒng)曲線不交叉，則較高的ROC曲線具有較好的診斷性能。如果曲線交叉可在考慮費用與效益的前提下結(jié)合統(tǒng)計學(xué)檢驗判斷其診斷性能。ROC曲線 一般用ROC曲線下面積反映診斷系統(tǒng)的準(zhǔn)確性。理論上這一指標(biāo)取值范圍為0.5至1, 完全無價值的診斷為0.5；完善的診斷為1。該指標(biāo)及其標(biāo)準(zhǔn)誤的計算目前有非參數(shù)、半?yún)?shù)和參數(shù)方法。其中得到廣泛應(yīng)用的方法有Wilcoxon非參數(shù)法和最大似然估計雙正態(tài)參數(shù)法。本章小節(jié) 診斷性試驗是對疾病進行診斷的試驗方法，它

13、不僅包括實驗室檢查，還包括各種影像診斷，如X-診斷、CT、核磁共振(MRI) 、超聲波診斷以及同位素檢查、纖維內(nèi)診鏡、電鏡等診斷方法。評價診斷試驗的常用指標(biāo)有一致百分率、靈敏度、特異度、Youden指數(shù)、陽性似然比、陰性似然比、陽性預(yù)報值和陰性預(yù)報值。 本章小節(jié) 一致百分率是病例正確診斷為陽性與對照正確診斷為陰性的例數(shù)之和占總例數(shù)的百分率；實際患病且被診斷為陽性的概率就是靈敏度，也稱為真陽性率；實際未患病且被診斷為陰性的概率就是特異度；真陽性率與假陽性率之差就是Youden指數(shù)；真陽性率與假陽性率之比，即靈敏度與誤診率之比就是陽性似然比；真陽性率與假陽性率之比，即靈敏度與誤診率之比就是陽性似然比；試驗結(jié)果陽性時，受試者實際為病例的概率就是陽性預(yù)報值；診斷試驗結(jié)果陰性時，受試者實際為非病例的概率就是陰性預(yù)報值。本章小節(jié) 盡管前面所列的Youden指數(shù)、陽(陰)性似然比、陽(陰)性預(yù)報值等指標(biāo)綜合利用了真陽性率(TPR)與假陽性率(FPR)的信息，但這些指標(biāo)都與診斷界點(或閾值)的選取有關(guān)