[논문 리뷰] Comparison of the Likelihood Ratios of Two Diagnostic Tests Subject to a Paired Design

José Antonio Roldán Nofuentes, Saad Bouh Sidaty-Regad|arXiv (Cornell University)|2022. 01. 14.

Optimal Experimental Design Methods인용 수 1

한 줄 요약

이 논문은 쌍체 설계 하에서 두 개의 이진 진단 검사의 양성 및 음성 양성률 비율을 비교하기 위한 여섯 가지 신뢰구간(CI) 방법—네 가지 신규 및 두 가지 기존—을 제안하며, 표본 크기 계산 방법까지 포함한다. 시뮬레이션을 통해 포함 확률과 구간 길이를 평가한 결과, 피勒(Fieller) 및 부트스트랩 구간이 가장 우수한 성능을 보였으며, 특히 피勒 방법이 비율 추정에서 더 뛰어난 포함 확률과 정밀도를 제공함을 입증하였다.

ABSTRACT

Positive and negative likelihood ratios are parameters which are used to assess and compare the effectiveness of binary diagnostic tests. Both parameters only depend on the sensitivity and specificity of the diagnostic test and are equivalent to a relative risk. This article studies the comparison of the likelihood ratios of two binary diagnostic tests subject to a paired design through confidence intervals. Six approximate confidence intervals are presented for the ratio of the likelihood ratios, and simulation experiments are carried out to study the coverage probabilities and the average lengths of the intervals considered, and some general rules of application are proposed. A method is also proposed to determine the sample size necessary to estimate the ratio between the likelihood ratios with a determined precision. The results were applied to two real examples.

연구 동기 및 목표

• 쌍체 이진 진단 검사 간 양성 및 음성 양성률 비율을 비교하기 위한 다수의 신뢰구간 방법을 개발하고 평가하는 것.
• 양성률 비율 추정의 원하는 정밀도를 확보하기 위한 표본 크기 계산 방법을 제안하는 것.
• 쌍체 진단 연구 설계에서 양성률 비율에 대한 강력하고 널리 적용 가능한 신뢰구간의 부족을 해결하는 것.
• 포함 확률과 구간 길이를 기반으로 최적의 신뢰구간을 선택하기 위한 실용적이고 시뮬레이션 검증된 지침을 제공하는 것.

제안 방법

• 네 가지 새로운 신뢰구간을 제안: 월드형 구간, 피勒 기반 구간, 편향 보정 부트스트랩 구간, 비정보성 베타 사전분포와 몬테카를로 시뮬레이션을 사용한 베이지안 구간.
• 두 가지 기존 방법을 적응 및 평가: Pepe(2003)의 월드 기반 CI 및 Roldán-Nofuentes & Luna(2007)의 로그 변환 CI.
• 민감도, 특이도 및 양성률 비율의 분산-공분산 행렬을 도출하기 위해 델타 방법을 사용.
• 다양한 시나리오에서 각 CI의 포함 확률과 평균 길이를 평가하기 위해 시뮬레이션 실험을 수행.
• 비율 추정에 대해 잘 알려진 강건성 덕분에 양성률 비율에 대해 피勒 방법을 적용.
• 이론적 분산 근사치를 사용하여 원하는 오차 범위를 확보하기 위한 표본 크기 공식을 유도.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 쌍체 이진 진단 검사 비교에서 양성률 비율의 가장 정확한 포함 확률을 제공하는 신뢰구간 방법은 무엇인가?
• RQ2 다양한 CI의 평균 길이는 어떻게 비교되며, 포함 확률을 희생시키지 않고 가장 높은 정밀도를 제공하는 것은 무엇인가?
• RQ3 지정된 오차 범위로 양성률 비율을 추정하기 위한 최적의 표본 크기 계산 방법은 무엇인가?
• RQ4 실제 시뮬레이션 조건 하에서 제안된 CI의 성능 특성(예: 피勒, 부트스트랩)은 기존 방법과 어떻게 비교되는가?
• RQ5 점근적 가정이 위반되었을 때 베이지안 및 부트스트랩 구간이 신뢰할 수 있는 추론을 제공할 수 있는가?

주요 결과

• 피勒 기반 신뢰구간은 작은 표본 크기 조건에서도 항상 명목상의 95% 수준에 가까운 가장 정확한 포함 확률을 보였다.
• 편향 보정 부트스트랩 구간은 포함 확률 측면에서 뛰어난 성능을 보였으며, 특히 비대칭적이거나 작은 표본 조건에서 강건성을 확보했다.
• 월드형 구간은 진짜 비율이 1에서 멀리 떨어져 있을수록 포함 확률이 열악하여 추론에 신뢰할 수 없었다.
• 비정보성 사전분포와 몬테카를로 샘플링을 사용한 베이지안 구간은 안정적인 포함 확률을 제공했지만, 피勒 방법보다 약간 더 넓은 평균 길이를 보였다.
• 시뮬레이션 결과, 제안된 표본 크기 공식은 원하는 정밀도를 신뢰성 있게 확보하였으며, 적용 시 포함 확률이 명목 수준에 가까웠다.
• 평가된 방법들 중에서 피勒 및 부트스트랩 구간은 포함 확률 정확도와 정밀도의 균형을 잘 유지하여 실용적 사용에 권장된다.