形式陈述
沿用生存分析 公理库 生存分析基础 Survival analysis · Kaplan–Meier estimator 对事件时间、删失、survival 与 hazard 建模并估计生存曲线的基础框架。 的事件时间记号,令 T > 0 ,z 为协变量。加速失效时间模型写为
log T = μ + β T z + σ ε , σ > 0 , 其中误差 ε 的分布不随 z 改变。吸收截距与误差尺度后,等价地写成 T = e β T z T 0 ,T 0 的分布对所有协变量取值相同。这与线性回归 公理库 线性回归统计模型 Linear regression model · Linear model 响应的条件均值由设计变量对未知系数线性表示,并显式规定误差结构的统计模型。 的形式相近,但此处定义的是对数寿命条件分布的平移,并未要求误差有有限均值。即使满足均值条件,有删失时也不能直接把观察终点的对数交给普通最小二乘。
令 a = e β T z 。时间伸缩总给出 S ( t ∣ z ) = S 0 ( t / a ) ;基线分布绝对连续时,进一步有密度与风险率关系
f ( t ∣ z ) = a − 1 f 0 ( t / a ) , λ ( t ∣ z ) = a − 1 λ 0 ( t / a ) . 所有可识别的同阶分位数都乘以 a 。因此 a > 1 表示相同分位的事件来得更晚;名称中的“加速”不限定系数必须缩短时间。
图像:沿横轴拉长整条曲线
想象把基线生存曲线印在弹性纸上,横向拉长 a 倍,纵向概率不变。基线在时间 t 0 达到的生存概率,另一组在 a t 0 才达到。这个图像也揭示了假设的强度:从较早到较晚的所有分位数,都必须接受同一个伸缩比例。
直觉
“寿命整体延长一倍”和“每一刻的风险减半”是否相同?加速失效时间模型直接伸缩时间轴,因此它的系数首先解释为时间比。
例子与边界
一个能完整算出的例子
设基线寿命服从形状参数 k = 2 、尺度 b = 3 的 Weibull 分布,
S 0 ( t ) = exp [ − ( t / 3 ) 2 ] . 二元变量 z = 1 的时间比取 a = 2 。则 S ( t ∣ 1 ) = exp [ − ( t / 6 ) 2 ] 。基线中位寿命是 3 log 2 ≈ 2.498 ,另一组是 6 log 2 ≈ 4.995 ,恰好翻倍。在时间 3 ,两组生存率分别为 e − 1 ≈ 0.368 和 e − 1 / 4 ≈ 0.779 。
这个例子碰巧也满足比例风险:λ 0 ( t ) = 2 t / 9 ,伸缩后的风险是 t / 18 ,风险比为 1 / 4 。所以时间翻倍在这里对应风险降到四分之一。一般 Weibull 形状 k 的对应关系是风险比 a − k ,不是一律 a − 1 。
有删失时怎样拟合
右删失资料为 ( X i , δ i ) 。在给定协变量的独立删失、且删失机制的参数可与事件参数分离时,事件时间参数的似然贡献 公理库 似然函数 Likelihood function 固定可观测数据后,由共同支配密度定义、仅在参数间作相对比较的似然函数。 为
[ a i − 1 f 0 ( X i / a i ) ] δ i [ S 0 ( X i / a i ) ] 1 − δ i . 发生事件者贡献密度,删失者贡献存活到该时刻的概率。选择误差分布,构造这些贡献的对数和,数值求最大值,再用信息矩阵或适当重抽样评估不确定性。区间删失则贡献 F ( R i ∣ z i ) − F ( L i ∣ z i ) 。这些不同贡献不能用把删失点当作实际寿命来替代。
反例与边界
若基线服从对数正态分布,时间伸缩仍保持对数正态 AFT 形式,但风险比通常随时间改变。AFT 并不要求比例风险;Weibull 同时满足两种结构属于特殊兼容情形。
若一个变量只影响早期失效而对晚期几乎无影响,各分位时间比不同,一个 a 就不足以描述。模型还可能对尾部外推敏感:随访只覆盖短时间,拟合分布却决定未观察到的长尾。报告平均寿命前必须检查其存在性及外推依据,不能只因为软件给出了一个数字便认为数据识别了它。
推论与应用
当问题自然表达为“达到相同累计失败比例需要多长时间”,AFT 的分位时间比很直接。选择 AFT 或Cox 模型 公理库 Cox 比例风险模型与部分似然 Cox proportional hazards model · Cox partial likelihood 通过事件时刻的风险集比较消去未知基线风险,推导 Cox 部分似然、得分和解释边界。 时,应先判断哪种结构适合研究问题,再看数据是否支持;两者的系数不能不经转换地互作解释。
参考资料
Stanford STATS 305B, Survival analysis , “Accelerated failure time” and “Likelihood under censoring” sections,时间伸缩及删失似然。
Kalbfleisch and Prentice, The Statistical Analysis of Failure Time Data , 2nd ed., Wiley, 2002, Chapters 2–3,参数生存分布与回归模型。