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定义Definition

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。

形式陈述 ​

在事件时间模型中,设协变量 zi(t) 在事件前已知,条件风险率为

λi(t)=λ0(t)exp⁡{βTzi(t)}.

λ0 是未指定形状的非负基线风险,β 是有限维参数。对于固定协变量 za,zb,风险比为 exp⁡{βT(za−zb)},不随时间改变。若协变量本身变动,瞬时风险比可以随其差值变动;“比例”约束的是系数,而非要求两条任意协变量轨迹永远保持相同比值。

先假设连续事件时间、没有并列事件,且删失在给定模型历史后不改变事件强度。设 tj 的唯一事件来自 ij。条件于事件前历史,并令一个短区间内恰有一次事件,在总事件强度为正时,其来源为 ij 的极限概率是

λ0(tj)eβTzij(tj)∑k∈R(tj)λ0(tj)eβTzk(tj)=eβTzij(tj)∑k∈R(tj)eβTzk(tj).

把这些贡献相乘得到部分似然 Lp(β)。共同的基线因子逐次抵消,但观察顺序和风险集仍保留。不能把这个推导读成“在任意删失机制下,对全部事件时刻条件化都能消除干扰”。

从似然走到计算 ​

令

z¯β(t)=∑k∈R(t)zk(t)eβTzk(t)∑k∈R(t)eβTzk(t).

对数部分似然的得分为 U(β)=∑j[zij(tj)−z¯β(tj)];负 Hessian 是各风险集加权协变量协方差之和。拟合就是反复计算这些加权均值与协方差,再求解 Newton 更新。信息矩阵若奇异,应检查协变量是否在风险集内缺乏变化,不能只增加迭代次数。

截距在分子、分母中同样抵消,所以 Cox 部分似然不估计独立截距。给所有人同时增加的风险倍数归入 λ0。

直觉

如果基线风险随时间怎样变化都不知道,仍能估计两类对象之间的相对风险吗?Cox 模型的入口是每次事件发生时的一次局部比较:谁还在风险集中,这次为什么轮到此人?

例子与边界

完整小例子 ​

三人均从 0 进入。A 的 z=1,在 1 发生事件;B 的 z=0,在 2 发生事件;C 的 z=1,在 3 删失。第一次风险集是三人,第二次是 B、C。因此

Lp(β)=eβ1+2eβ11+eβ.

在 β=0,似然为 1/6,两次事件的得分贡献分别是 1−2/3=1/3 与 0−1/2=−1/2,总得分 −1/6。这告诉我们从零出发,局部增加似然应朝负方向移动。

若直接解得分方程,令 a=eβ,有 1−2a/(1+2a)−a/(1+a)=0,化简为 1−2a2=0。于是 β^=−12log⁡2,风险比约 0.707。C 没发生事件,仍两次出现在分母中,因而提供了比较信息。

边界与解释 ​

风险比 2 不表示到某日发生事件的概率翻倍。固定协变量下,生存函数为 S(t∣z)=S0(t)exp⁡(βTz);若 S0(t)=0.8,风险倍数 2 给出生存率 0.64,事件概率从 0.2 变为 0.36。

加速失效时间模型直接伸缩寿命的时间轴,系数解释为时间比;Cox 则约束瞬时风险比。Weibull 可以同时满足两种结构,但一般 AFT 分布不必比例风险,二者系数不能直接互换。

在竞争风险中,原因别 Cox 模型的风险集只保留尚未发生任何事件者。Fine–Gray 模型改用与目标累计发生率相连的亚分布分母,其中保留已经发生竞争事件者;它的比例性和系数含义需要分别核对,不能沿用原因别风险的解释。

并列事件需要明确采用 exact、Breslow 或 Efron 处理;把同日多个事件按任意顺序逐个移出风险集会制造信息。某协变量若完美区分事件次序,最大值可能在无穷远,拟合前应检查有限最大值的存在条件。

比例风险违背可借助Schoenfeld 残差检查。非比例风险时,应明确时间变化效应或更换估计目标。观察研究还需要混杂控制与额外识别条件,部分似然本身不给出因果解释。

推论与应用

估计 β 后,可以另行估计基线累积风险,再预测具体生存曲线。这里“无需先指定基线形状”节省的是建模假设,并未省去绝对风险预测所需的基线估计。

参考资料
关系图谱9 个相邻概念 · 2 类关系

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