Un’applicazione importantissima della probabilità condizionata sono i test diagnostici (medici, antidoping, di qualità). Un test non è mai perfetto: può dare falsi positivi o falsi negativi. Da qui nascono tre quantità chiave — sensibilità, specificità e precisione — e il celebre “paradosso dei test rari”, in cui un test apparentemente ottimo diventa poco affidabile su una malattia poco diffusa. Il teorema di Bayes è lo strumento che permette di calcolare ciò che davvero interessa al paziente.

A hugely important application of conditional probability are diagnostic tests (medical, anti-doping, quality). A test is never perfect: it can give false positives or false negatives. From here arise three key quantities — sensitivity, specificity and precision — and the celebrated “paradox of rare tests”, in which an apparently excellent test becomes unreliable for a rarely occurring illness. Bayes’ theorem is the tool that lets us calculate what really interests the patient.

Un’applicazione importantissima della probabilità condizionata sono i test diagnostici (medici, antidoping, di qualità, ecc.). Un test non è mai perfetto: può dare falsi positivi (allarme senza malattia) o falsi negativi (malattia non rilevata).

Definiamo:

  • AA = “il soggetto è effettivamente malato”;
  • BB = “il test dà esito positivo”.

Le quattro combinazioni possibili sono:

AA (malato)A‾\overline{A} (sano)
BB (test ++)vero positivo (TPTP)falso positivo (FPFP)
B‾\overline{B} (test −-)falso negativo (FNFN)vero negativo (TNTN)

A partire da questa tabella si definiscono tre quantità importanti.

Definizione

  • Sensibilità (o recall) =TPTP+FN=P(B∣A)= \dfrac{TP}{TP+FN} = P(B\mid A): probabilità di essere positivo al test sapendo di essere malato. Un test sensibile “non si fa scappare” i malati.
  • Specificità =TNTN+FP=P(B‾∣A‾)= \dfrac{TN}{TN+FP} = P(\overline{B}\mid \overline{A}): probabilità di essere negativo al test sapendo di essere sano. Un test specifico “non dà falsi allarmi”.
  • Precisione (o valore predittivo positivo) =TPTP+FP=P(A∣B)= \dfrac{TP}{TP+FP} = P(A\mid B): se il test è positivo, qual è la probabilità di essere davvero malato? È la quantità più utile per il paziente, e la domanda a cui risponde il teorema di Bayes.

Attenzione — Paradosso dei test rari

Un test con alta sensibilità e alta specificità può comunque avere bassa precisione se la malattia è rara. Questo è il famoso “paradosso dei test rari”: se solo 11 persona su 10 00010\,000 è malata, anche un test al 99%99\% di sensibilità e 99%99\% di specificità produce un numero di falsi positivi paragonabile al numero di veri positivi, e P(A∣B)P(A\mid B) risulta molto più bassa di quanto ci si aspetterebbe. È lo stesso meccanismo dei test su malattie a bassa prevalenza: con una malattia allo 0,1%0{,}1\%, sensibilità 99%99\% e specificità 98%98\%, la precisione era solo del 4,7%4{,}7\%.

Collegamenti

Argomenti: Probabilita
Concetti: Precisione · Probabilita condizionata · Sensibilita · Specificita · Teorema di bayes
Competenze: Calcolo probabilita

A hugely important application of conditional probability are diagnostic tests (medical, anti-doping, quality, etc.). A test is never perfect: it can give false positives (an alarm without illness) or false negatives (an illness not detected).

Let us define:

  • AA = “the subject is actually ill”;
  • BB = “the test gives a positive result”.

The four possible combinations are:

AA (ill)A‾\overline{A} (healthy)
BB (test ++)true positive (TPTP)false positive (FPFP)
B‾\overline{B} (test −-)false negative (FNFN)true negative (TNTN)

From this table three important quantities are defined.

Definition

  • Sensitivity (or recall) =TPTP+FN=P(B∣A)= \dfrac{TP}{TP+FN} = P(B\mid A): the probability of testing positive given that one is ill. A sensitive test “does not let the ill slip through”.
  • Specificity =TNTN+FP=P(B‾∣A‾)= \dfrac{TN}{TN+FP} = P(\overline{B}\mid \overline{A}): the probability of testing negative given that one is healthy. A specific test “does not raise false alarms”.
  • Precision (or positive predictive value) =TPTP+FP=P(A∣B)= \dfrac{TP}{TP+FP} = P(A\mid B): if the test is positive, what is the probability of actually being ill? It is the most useful quantity for the patient, and the question that Bayes’ theorem answers.

Caution — The paradox of rare tests

A test with high sensitivity and high specificity can nonetheless have low precision if the illness is rare. This is the famous “paradox of rare tests”: if only 11 person in 10 00010\,000 is ill, even a test with 99%99\% sensitivity and 99%99\% specificity produces a number of false positives comparable to the number of true positives, and P(A∣B)P(A\mid B) turns out to be much lower than one would expect. It is the same mechanism as tests for low-prevalence illnesses: with an illness at 0,1%0{,}1\%, sensitivity 99%99\% and specificity 98%98\%, the precision was only 4,7%4{,}7\%.

Topics: Probability
Concepts: Precision · Conditional probability · Sensitivity · Specificity · Bayes’ theorem
Skills: Probability calculation

Esempio — Test epidemiologico

Un test per una malattia rara ha P(A)=0,003P(A) = 0,003 (la malattia colpisce 33 persone su 10001000), P(A∣B)=0,7P(A\mid B) = 0,7 (precisione) e P(A∣B‾)=0,0001P(A\mid \overline{B}) = 0,0001. Riempiamo la tabella di contingenza usando 10 00010\,000 persone come popolazione di riferimento.

AA (malato)A‾\overline{A} (sano)Totale
BB (test ++)2121993030
B‾\overline{B} (test −-)999 9619\,9619 9709\,970
Totale30309 9709\,97010 00010\,000

Da qui si leggono direttamente le tre quantità caratteristiche del test:

  • Sensibilità =P(B∣A)=2130=70%= P(B\mid A) = \dfrac{21}{30} = 70\%
  • Specificità =P(B‾∣A‾)=99619970≈99,9%= P(\overline{B}\mid\overline{A}) = \dfrac{9961}{9970} \approx 99,9\%
  • Precisione =P(A∣B)=2130=70%= P(A\mid B) = \dfrac{21}{30} = 70\%

Un test usato bene: pochi falsi positivi e una specificità molto alta.

Collegamenti

Argomenti: Probabilita
Concetti: Precisione · Sensibilita · Specificita · Tabella di contingenza
Metodi: Bayes · Prob totale
Competenze: Calcolo probabilita

Example — Epidemiological test

A test for a rare illness has P(A)=0,003P(A) = 0,003 (the illness strikes 33 people in 10001000), P(A∣B)=0,7P(A\mid B) = 0,7 (precision) and P(A∣B‾)=0,0001P(A\mid \overline{B}) = 0,0001. Let us fill in the contingency table using 10 00010\,000 people as the reference population.

AA (ill)A‾\overline{A} (healthy)Total
BB (test ++)2121993030
B‾\overline{B} (test −-)999 9619\,9619 9709\,970
Total30309 9709\,97010 00010\,000

From here the three characteristic quantities of the test can be read directly:

  • Sensitivity =P(B∣A)=2130=70%= P(B\mid A) = \dfrac{21}{30} = 70\%
  • Specificity =P(B‾∣A‾)=99619970≈99,9%= P(\overline{B}\mid\overline{A}) = \dfrac{9961}{9970} \approx 99,9\%
  • Precision =P(A∣B)=2130=70%= P(A\mid B) = \dfrac{21}{30} = 70\%

A well-used test: few false positives and a very high specificity.

Topics: Probability
Concepts: Precision · Sensitivity · Specificity · Contingency table
Methods: Bayes · Total probability
Skills: Probability calculation

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