Přednáška XI. Asociace ve čtyřpolní tabulce  a základy korelační analýzy Relativní riziko a poměr šancí Princip korelace dvou náhodných veličin Korelační koeficienty – Pearsonův a Spearmanův Korelace a kauzalita Tomáš Pavlík Biostatistika Opakování – Fisherův exaktní test Jak funguje Fisherův exaktní test? Veličina X Veličina Y Y = 1 Y = 2 Celkem X = 1 a b a + b X = 2 c d c + d Celkem a + c b + d n Tomáš Pavlík Biostatistika Opakování – Chí‐kvadrát test dobré shody Lze použít chí‐kvadrát test dobré shody na testování normality dat?  Pokud ano, jak? 1. Vyjádření rizik ve čtyřpolní tabulce Tomáš Pavlík Biostatistika Motivace Sledujeme souvislost věku matky a výskytu náhlého úmrtí kojence (SIDS).  Výsledky dány v tabulce: Pomocí Pearsonova chí‐kvadrát nebo Fisherova exaktního testu můžeme  rozhodovat o závislosti/nezávislosti dvou sledovaných veličin. Testy ale  neumožňují tento vztah kvantifikovat. Má‐li to smysl a chceme‐li kvantifikovat (rozhodovat o těsnosti této  závislosti) můžeme použít tzv. relativní riziko (RR) a poměr šancí (OR). SIDS Věk matky  Do 25 let 25 a více let Celkem Ano 29 15 44 Ne 7301 11241 18542 Celkem 7330 11256 18586 Tomáš Pavlík Biostatistika Srovnávané skupiny Pomocí RR i OR můžeme srovnat pravděpodobnosti výskytu sledovaného  jevu ve dvou různých skupinách: 1. skupina s pravděpodobností výskytu události P1: experimentální skupina – např. léčená novou léčbou riziková skupina – např. hypertonici skupina s expozicí určitému faktoru – např. horníci 2. skupina s pravděpodobností výskytu události P0: kontrolní skupina  skupina bez expozice Tomáš Pavlík Biostatistika Relativní riziko = Relative risk Výpočet relativního rizika (RR) umožňuje srovnat pravděpodobnosti výskytu  sledovaného jevu ve dvou různých skupinách. 1. skupina – experimentální nebo skupina s expozicí určitému faktoru 2. skupina – kontrolní nebo skupina bez expozice db b ca a P P RR   0 1 RR Pravděpodobnost výskytu jevu v 1. skupině (experimentální) Pravděpodobnost výskytu jevu ve 2. skupině (kontrolní) 0 1 P P  Sledovaný jev Skupina Experimentální Kontrolní Celkem Ano a b a + b Ne c d c + d Celkem a + c b + d n Tomáš Pavlík Biostatistika Příklad – relativní riziko Sledujeme souvislost věku matky a výskytu náhlého úmrtí kojence (SIDS).  Výsledky dány v tabulce: SIDS Věk matky  Do 25 let 25 a více let Celkem Ano 29 15 44 Ne 7301 11241 18542 Celkem 7330 11256 18586 97,2 1124115 15 730129 29 0 1      db b ca a P P RR Riziko výskytu SIDS u dětí  matek ve věku do 25 je téměř  třikrát vyšší než u dětí matek  rodících ve vyšším věku. Tomáš Pavlík Biostatistika Riziko vs. „šance“ (odds) Riziko a pravděpodobnost – odhad pravděpodobnosti vzniku onemocnění Relativní riziko – poměr dvou pravděpodobností Šance – poměr pravděpodobnosti výskytu jevu a výskytu opačného jevu nabývá hodnot mezi 0 a nekonečnem pokud kůň vyhraje s pravděpodobností 10%, jaká je jeho šance na výhru? 1 1 1 P P odds   Tomáš Pavlík Biostatistika Poměr šancí = Odds ratio Poměr šancí (OR) je další charakteristikou, která umožňuje srovnat výskyt  sledovaného jevu ve dvou různých skupinách. 1. skupina – experimentální nebo skupina s expozicí určitému faktoru 2. skupina – kontrolní nebo skupina bez expozice OR Pravděpodobnost výskytu jevu v 1. skupině (experimentální) Pravděpodobnost výskytu jevu ve 2. skupině (kontrolní) 0 0 1 1 0 1 1 1 P P P P O O    1 – Pravděpodobnost výskytu jevu v 1. skupině (experimentální) 1 – Pravděpodobnost výskytu jevu ve 2. skupině (kontrolní) d b c a P P P P OR     0 0 1 1 1 1 Sledovaný jev Skupina Experimentální Kontrolní Celkem Ano a b a + b Ne c d c + d Celkem a + c b + d n Tomáš Pavlík Biostatistika Příklad – odds ratio Sledujeme souvislost věku matky a výskytu náhlého úmrtí kojence (SIDS).  Výsledky dány v tabulce: SIDS Věk matky  Do 25 let 25 a více let Celkem Ano 29 15 44 Ne 7301 11241 18542 Celkem 7330 11256 18586 98,2 11241 15 7301 29 1 1 0 0 1 1     d b c a P P P P OR „Šance“ na výskyt SIDS u dětí  matek ve věku do 25 je téměř  třikrát vyšší než u dětí matek  rodících ve vyšším věku. Tomáš Pavlík Biostatistika Grafické srovnání RR a OR A B RR = 2 10 3 10 6  OR = 5.3 7 3 4 6  Výskyt sledovaného jevu Bez výskytu sledovaného jevu Tomáš Pavlík Biostatistika Umělý příklad – pití slazených nápojů Sledujeme vliv pití slazených nápojů na výskyt zubního kazu. Výsledky dány  v tabulce: Zubní kaz Pití slazených nápojů Ano Ne Celkem Ano 34 19 53 Ne 16 31 47 Celkem 50 50 100 79,1 3119 19 1634 34      db b ca a RR 47,3 31 19 16 34  d b c a OR Tomáš Pavlík Biostatistika Srovnání RR a OR Hodnoty, jakých může nabývat RR i OR, souvisí s četností výskytu sledované  události v kontrolní (referenční) skupině.  Tomáš Pavlík Biostatistika Komentáře k RR, OR hodnota relativního rizika leží mezi 0 a 1/P0 pro běžné jevy nelze pozorovat vysoké hodnoty relativního rizika pokud je riziko v kontrolní skupině 66%, maximální RR je 1,5 OR je obtížnější interpretovat může být vhodné konvertovat na RR, musíme ale znát riziko v kontrolní skupině nevychází stejně, ale oba jsou validní ukazatele účinku ALE POKUD SE NEJEDNÁ O VZÁCNÝ JEV, OR NELZE INTERPRETOVAT JAKO RR!!! )1(1 0 ORP OR RR   RRP PRR OR 0 0 1 )1(    Tomáš Pavlík Biostatistika Výhody a nevýhody RR a OR Nevýhoda OR:  obtížná interpretace. Výhoda i nevýhoda RR:  nezajímá ho samotná pravděpodobnost výskytu jevu, ale pouze jejich  podíl → korektní použi  RR je však pouze v případě, že  pravděpodobnost výskytu jevu v kontrolní skupině je reprezentativní  (není ovlivněna výběrem sledovaných subjektů). Tomáš Pavlík Biostatistika Prospektivní a retrospektivní studie  Prospektivní studie  U některých subjektů je rizikový  faktor přítomen a u jiných ne →  sledujeme v čase, zda se vyskytne  událost. Retrospektivní studie U některých subjektů se událost  vyskytla a u jiných ne → zpětně  hodnotíme, zda se liší s ohledem na  nějaký rizikový faktor. Exponovaní  jedinci Jedinci bez expozice Případy (s událostí) Případy (s událostí) Kontroly (bez události)  Kontroly (bez události)  Exponovaní  jedinci Jedinci bez expozice Historie Začátek studie Čas Začátek studie Čas S událostí Bez události Průběh studie Kohorta subjektů (náhodně  vybraná ze  studované  populace) S událostí Bez události Exponovaní jedinci Jedinci bez expozice Tomáš Pavlík Biostatistika Použití RR a OR Prospektivní studie – u některých subjektů je rizikový faktor přítomen a u  jiných ne → sledujeme, zda se vyskytne událost. Zjištěná pravděpodobnost výskytu události v kontrolní skupině je  reprezentativní, neboť prospektivně zařazujeme všechny pacienty  → korektní použi  RR. Retrospektivní studie – u některých subjektů se událost vyskytla a u jiných  ne → zpětně hodno me, zda se liší s ohledem na nějaký rizikový faktor. Zjištěná pravděpodobnost výskytu události v kontrolní skupině není  reprezentativní, neboť ji ovlivňujeme zpětným výběrem skupin subjektů. → nekorektní použi  RR. → korektní použi  OR. Tomáš Pavlík Biostatistika Intervalové odhady RR i OR jsou variabilní stejně jako četnosti v kontingenční tabulce – bodový  odhad je tak vhodné doplnit 100(1‐α)% intervalem spolehlivosti. Lze ukázat, že pro nepříliš malé hodnoty a, b, c, d má přirozený logaritmus  RR (lnRR) i přirozený logaritmus OR (lnOR) normální rozdělení. Pak platí: 100(1‐α)% IS pro přirozené logaritmy: 100(1‐α)% IS pro RR a OR: dbbcaa RRSE     1111 )(ln dcba ORSE 1111 )(ln  )(lnln),( 2/1 ** RRSEzRRhd  )(lnln),( 2/1 ** ORSEzORhd  ))exp(),(exp(),( ** hdhd RRRR  ))exp(),(exp(),( ** hdhd OROR  Tomáš Pavlík Biostatistika Příklad – intervalové odhady Sledujeme souvislost věku matky a výskytu náhlého úmrtí kojence (SIDS): Logaritmická transformace: Zpětná transformace: SIDS Věk matky  Do 25 let 25 a více let Celkem Ano 29 15 44 Ne 7301 11241 18542 Celkem 7330 11256 18586 98,2 11241/15 7301/29 97,2 )1124115/(15 )730129/(29      OR RR )58,5;60,1())exp(),(exp(),( )53,5;60,1())exp(),(exp(),( ** **   hdhd hdhd OROR RRRR 318,0)(ln 317,0)(ln 11241 1 7301 1 15 1 29 1 1124115 1 15 1 730129 1 29 1    ORSE RRSE )72,1;47,0(318,0*96,1092,1),( )71,1;47,0(317,0*96,1089,1),( ** **   hd hd Tomáš Pavlík Biostatistika Relativní redukce rizika (RRR) Absolutní redukce rizika (ARR) Další způsoby vyjádření rozdílu rizika ARR = %202.0 10 3 10 5  Bez léčby S léčbou RRR = 1 ‐ RR = 1 ‐ %406.01 10 5 10 3 1  Tomáš Pavlík Biostatistika Další způsoby vyjádření rozdílu rizika ARR = 20% Pro snížení počtu událostí o 20 je třeba léčit 100 pacientů. 5 20 100 2,0 1 NNT = NNT = Pro snížení počtu událostí  o 1 je třeba léčit 5 pacientů. Počet pacientů, které je potřeba léčit, abychom zabránili výskytu jedné  události – „number needed to treat“ (NNT). Tomáš Pavlík Biostatistika Zvláštní případ RRR – účinnost vakcíny (vaccine efficacy) Hodnotíme dvojitě zaslepenou placebem kontrolovanou studii zaměřenou na účinnost  bivalentní vakcíny proti incidentní HPV infekci (Harper a kol., 2004) According to protocol group, 18 měsíců HPV infekce Skupina Vakcinace Placebo Celkem Ano 2 23 25 Ne 364 332 696 Celkem 366 355 721 6,91084,01 33223 23 3642 2 111 0 1      db b ca a P P VE Riziko infekce u vakcinovaných  je pouhých 8,4% ve srovnání s  kontrolní skupinou – vakcína  předejde 91,6% infekcírelativní riziko Tomáš Pavlík Biostatistika Absolutní vs. relativní četnost Vyjádření výsledků v relativní formě (procento) má často příjemnou  interpretaci, ale může být zavádějící. Relativní vyjádření účinnosti by mělo být vždy doprovázeno absolutním  vyjádřením účinnosti. Příklad: Srovnání účinnosti léčiva ve smyslu prevence CMP u kardiaků. Studie 1:  Výskyt CMP ve skupině A je 12 %, ve skupině B je 20 %. Relativní změna v účinnosti = 40 %; absolutní změna = 8 %. Studie 2:  Výskyt CMP ve skupině A je 0,9 %, ve skupině B je 1,5 %. Relativní změna v účinnosti = 40 %; absolutní změna = 0,6 %. Výsledkem je rozdílný přínos léčby při stejné relativní účinnosti. Tomáš Pavlík Biostatistika NNT a absolutní vs. relativní četnost  Příklad: Srovnání účinnosti léčiva ve smyslu prevence CMP u kardiaků. Studie 1: Výskyt CMP ve skupině A je 12 %, ve skupině B je 20 %. Relativní změna v účinnosti = 40 %; absolutní změna = 8 %. Studie 2:  výskyt CMP ve skupině A je 0,9 %, ve skupině B je 1,5 %. Relativní změna v účinnosti = 40 %; absolutní změna = 0,6 %. 7,166 6,0 100 006,0 1 NNT = NNT = Pro snížení počtu událostí  o 1 je třeba léčit 167 pacientů. 5,12 8 100 08,0 1 NNT = NNT = Pro snížení počtu událostí  o 1 je třeba léčit 13 pacientů. 2. Hodnocení vztahu dvou spojitých  veličin – základy korelace Tomáš Pavlík Biostatistika Proč hodnotit vztah dvou spojitých veličin? Zatím jsme se zabývali spojitou veličinou v jedné skupině, spojitou veličinou  ve více skupinách, diskrétní veličinou v jedné skupině, diskrétní veličinou ve  více skupinách, dvěma diskrétními veličinami v jedné skupině. Teď se chceme zabývat dvěma spojitými veličinami v jedné skupině: 1. Chceme zjistit, jestli mezi nimi existuje vztah – např. jestli vyšší hodnoty  jedné veličiny znamenají nižší hodnoty jiné veličiny. 2. Chceme predikovat hodnoty jedné veličiny na základě znalosti hodnot  jiných veličin. 3. Chceme kvantifikovat vztah mezi dvěma spojitými veličinami – např. pro  použití jedné veličiny na místo druhé veličiny. Tomáš Pavlík Biostatistika Jak hodnotit vztah dvou spojitých veličin? Nejjednodušší formou je bodový graf (x‐y graf). Vztah výšky a váhy studentů Biostatistiky pro matematické biology – jaro 2010: Tomáš Pavlík Biostatistika Korelace Korelační koeficient – kvantifikuje míru vztahu mezi dvěma spojitými  veličinami (X a Y). Standardní metodou je výpočet Pearsonova korelačního koeficientu (r). Nabývá hodnot od ‐1 do 1. Hodnota r je kladná, když vyšší hodnoty X souvisí s vyššími hodnotami  Y, a naopak je záporná, když nižší hodnoty X souvisí s vyššími  hodnotami Y. Charakterizuje linearitu vztahu mezi X a Y – jinak řečeno variabilitu  kolem lineárního trendu. Hodnoty 1 nebo ‐1 získáme, když body x‐y grafu leží na přímce. Tomáš Pavlík Biostatistika Pearsonův korelační koeficient (r) Předpokládáme realizaci dvourozměrného náhodného vektoru o rozsahu n: (máme dvojice hodnot, které patří k sobě – charakterizují i‐tý subjekt) Pearsonův korelační koeficient: kde  jsou výběrové průměry,  jsou výběrové směrodatné odchylky.                   n n y x y x y x ,,, 2 2 1 1  yx n i ii n i i n i i n i ii ssn yxnyx yyxx yyxx r )1()()( ))(( 1 1 2 1 2 1             yx a yx ss a Tomáš Pavlík Biostatistika Pearsonův korelační koeficient (r) r = 1,0 r = ‐0,9 r = 0,4 r = 0,05 Tomáš Pavlík Biostatistika Příklad – Pearsonův korelační koeficient (r) Vztah výšky a váhy studentů Biostatistiky pro matematické biology – jaro 2010: 64,0 5,12*3,5*)113( 417,2148929148 5,12 3,5 417,2148 929148 )1( 1 1                r s s yxn yx ssn yxnyx r y x n i ii yx n i ii Tomáš Pavlík Biostatistika Problémy s výpočtem r Pearsonův korelační koeficient lze vypočítat na jakýchkoliv datech. Pokud však budeme chtít jakkoliv rozhodovat o vlastnostech r (interval  spolehlivosti, testování hypotéz), musíme učinit předpoklad o normalitě  hodnocených veličin. r = 0,93 p < 0,001 r = 0,63 p < 0,001 r = 0,23 p = 0,019 Více skupin Nelineární vztah Velikost výběru Tomáš Pavlík Biostatistika Interval spolehlivosti pro r Výběrové rozdělení koeficientu r není normální, pro výpočet IS je třeba ho  transformovat: Veličina w má normální rozdělení se standardní chybou přibližně: 100(1‐α)% IS pro w má tvar: 100(1‐α)% IS pro r pak dostaneme zpětnou transformací: r r w    1 1 ln 2 1 3/1)(  nwSE 3/),( 2/1 **   nzwhd             1)2exp( 1)2exp( ; 1)2exp( 1)2exp( ),( * * * * h h d d hd Tomáš Pavlík Biostatistika Příklad – interval spolehlivosti pro r Vztah výšky a váhy studentů Biostatistiky pro matematické biology – jaro 2010: 64,0r )377,1;138,0()(),( 316,010/1)( 758,0 64,01 64,01 ln 2 1 2/1 **        wSEzwhd wSE w  )88,0;14,0(),( 1)2exp( 1)2exp( ; 1)2exp( 1)2exp( ),( * * * *             hd h h d d hd Tomáš Pavlík Biostatistika Test hypotézy H0: r = 0 Předpokládáme realizaci dvourozměrného náhodného vektoru o rozsahu n: Předpokládáme normalitu X i Y! Za platnosti nulové hypotézy má statistika t rozdělení  pravděpodobnosti s n – 2 stupni volnosti. Pro oboustrannou alternativu zamítáme H0 na hladině významnosti α = 0,05,  když hodnota testové statistiky přesáhne v absolutní hodnotě kvantil  Tuto testovou statistiku nelze použít pro testování hypotézy 2 1 2 r n rT                      n n y x y x y x ,,, 2 2 1 1  0: 00  rrH )2( 2/1   n t  Tomáš Pavlík Biostatistika Příklad – test hypotézy H0: r = 0 Vztah výšky a váhy studentů Biostatistiky pro matematické biology – jaro 2010: 64,0r 0:1 rH 76,2 64,01 213 64,0 1 2 22        r n rT 20,2)11( 975,0 )2( 2/1   tt n  )11( 975,020,276,2 tT  Zamítáme H0: r = 0. Tomáš Pavlík Biostatistika Spearmanův korelační koeficient (rs) Pearsonův korelační koeficient je náchylný k odlehlým hodnotám a obecně  odchylkám od normality. Spearmanův korelační koeficient stejně jako řada  dalších neparametrických metod pracuje pouze s pořadími pozorovaných  hodnot. Máme náhodný výběr rozsahu n:  Definujeme:  xri – pořadí xi mezi hodnotami x; yri – pořadí yi mezi hodnotami y; di = xri – yri. Spearmanův korelační koeficient: Vyskytují‐li se shodné hodnoty, je nutné použít výpočet pomocí Pearsonova  korelačního koeficientu na pořadích.  Hodnoty rs se pohybují stejně jako u r od ‐1 do 1. )1( 6 1 2 1 2    nn d r n i i s                   n n y x y x y x ,,, 2 2 1 1  Tomáš Pavlík Biostatistika Příklad – Spearmanův korelační koeficient (rs) Vztah výšky a váhy studentů Biostatistiky pro matematické biology – jaro 2010: Student Výška xi Pořadí  výška Váha yi Pořadí  váha Rozdíl di di 2 1 175 10 69 10 0 0 2 166 1 55 3 ‐2 4 3 170 4 67 8 ‐4 16 4 169 2,5 52 1 1,5 2,25 5 188 13 90 12,5 0,5 0,25 6 175 10 53 2 8 64 7 176 12 57 4,5 7,5 56,25 8 171 5 57 4,5 0,5 0,25 9 173 6,5 68 9 ‐2,5 6,25 10 175 10 73 11 ‐1 1 11 173 6,5 62 6 0,5 0,25 12 174 8 90 12,5 ‐4,5 20,25 13 169 2,5 63 7 ‐4,5 20,25 Tomáš Pavlík Biostatistika Příklad – Spearmanův korelační koeficient (rs) V souboru je hodně shodných hodnot → musíme použít Pearsonovo r na pořadí. 48,0 )113(13 191*6 1 )1( 6 1 22 1 2       nn d r n i i s Student Pořadí  výška Pořadí  váha Rozdíl  di di 2 1 10 10 0 0 2 1 3 ‐2 4 3 4 8 ‐4 16 4 2,5 1 1,5 2,25 5 13 12,5 0,5 0,25 6 10 2 8 64 7 12 4,5 7,5 56,25 8 5 4,5 0,5 0,25 9 6,5 9 ‐2,5 6,25 10 10 11 ‐1 1 11 6,5 6 0,5 0,25 12 8 12,5 ‐4,5 20,25 13 2,5 7 ‐4,5 20,25 47,0 88,3*86,3*)113( 3765,217 88,3 86,3 376 5,721 )1( 1 1                r s s yxn yx ssn yxnyx r y x n i ii yx n i ii Tomáš Pavlík Biostatistika Jak to, že nám r a rs vyšly různě? Původní hodnoty: Pořadí: 48,0sr 47,0r 64,0r Tomáš Pavlík Biostatistika IS pro rs a test hypotézy H0: rs = 0 Výběrové rozdělení rs je pro výběry s n > 10 stejné jako výběrové rozdělení r,  proto je možné pro konstrukci 100(1‐α)% IS použít metodu pro Pearsonův koeficient. Pro větší vzorky, n > 30, je možné použít pro ověření hypotézy H0: rs = 0  stejnou testovou statistiku jako v případě r: )2( 2 ~ 1 2     n s s t r n rT Tomáš Pavlík Biostatistika Poznámka o r2 Korelace dvou náhodných veličin se často interpretuje pomocí druhé mocniny  Pearsonova korelačního koeficientu: r2. Hodnota r2 vyjadřuje, kolik % své variability sdílí jedna veličina s druhou, jinak  řečeno, kolik % variability jedné veličiny může být predikováno pomocí té  druhé. S hodnotou r2 se setkáte v lineárních modelech. Tomáš Pavlík Biostatistika Klíčové principy – zkreslení Pojem zavádějící faktor – pro zavádějící faktor současně platí, že přímo nebo nepřímo ovlivňuje sledovaný následek, je ve vztahu se studovanou expozicí , není mezikrokem mezi expozicí a následkem. Zavádějící  faktor NásledekExpozice Tomáš Pavlík Biostatistika • Proměnná asociovaná s rizikovým faktorem a kauzálně spojená s  výsledkem • může zcela zatemnit skutečný vztah mezi rizikovým faktorem a  výsledkem Nošení zápalek Rakovina plic Kouření RIZIKOVÝ FAKTOR? VÝSLEDEK ZAVÁDĚJÍCÍ FAKTOR Zavádějící faktor (confounder) Tomáš Pavlík Biostatistika Rakovina plic Konzumace alkoholu Vysoká Nízká Celkem Ano  33 27 60 Ne  1667 2273 3940 Celkem  1700 2300 4000 67,1 2273 27 1667 33 1 1 0 0 1 1     d b c a P P P P OR Vysoká konzumace alkoholu je  rizikovým faktorem pro vznik  rakoviny plic... Zdroj: Fundamentals of biostatistics, Rosner 2006 Jak na zavádějící faktory: stratifikace Tomáš Pavlík Biostatistika Rakovina plic Konzumace alkoholu Vysoká Nízká Celkem Ano  24 6 30 Ne  776 194 970 Celkem  800 200 1000 Rakovina plic Konzumace alkoholu Vysoká Nízká Celkem Ano  9 21 30 Ne  891 2079 2970 Celkem  900 2100 3000 00,1 194 6 776 24 OR 00,1 2079 21 891 9 OR Skupina kuřáků Skupina nekuřáků Ve skutečnosti ani u kuřáků ani u nekuřáků konzumace alkoholu riziko vzniku rakoviny plic nezvyšuje Zdroj: Fundamentals of biostatistics, Rosner 2006 Jak na zavádějící faktory: stratifikace Tomáš Pavlík Biostatistika Poděkování… Rozvoj studijního oboru „Matematická biologie“ PřF MU  Brno je finančně podporován prostředky projektu ESF č.  CZ.1.07/2.2.00/07.0318 „Víceoborová inovace studia  Matematické biologie“ a státním rozpočtem České republiky