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Inicio/Estadística y probabilidad/Teorema de Bayes: la paradoja de la prueba médica

Teorema de Bayes: la paradoja de la prueba médica

Sensibilidad, especificidad y prevalencia en una cuadrícula 2×2 de la población; por qué un positivo puede seguir significando poca probabilidad de enfermedad.

Enfermedad y prueba

1%
99 %
95 %

Preajustes

Cuadrícula de la población

Tamaño de la población

La cuadrícula es un esquema de frecuencias naturales (Gigerenzer): cada cuadrado es una persona, y los números esperados de las cuatro casillas son N·prev·sens, N·prev·(1−sens), N·(1−prev)·(1−spec) y N·(1−prev)·spec, redondeados a personas enteras por la regla del resto mayor, de modo que sumen N. No es una extracción al azar: la dispersión de muestreo se deja fuera a propósito para que los recuentos coincidan con las probabilidades, salvo el redondeo. P(D | +) se lee directamente como los verdaderos positivos divididos por todos los positivos: el teorema de Bayes sin la fórmula.

Atajos de teclado

  • •Space / Enter — mostrar solo positivos sí / no
  • •R — reiniciar

Magnitudes medidas

Prevalencia P(D)1%
Sensibilidad P(+ | D)99%
Especificidad P(− | ¬D)95%
Tasa de falsos positivos 1 − spec5%
Verdaderos positivos TP99
Falsos positivos FP495
Falsos negativos FN1
Verdaderos negativos TN9 405
Proporción con positivo P(+)5.94%
VPP = P(D | +)16.7%
VPN = P(¬D | −)99.989%

P(D|+) = 0.99·0.01 / (0.99·0.01 + 0.05·0.99) = 0.0099 / 0.0594 = 0.1667

Los recuentos entre paréntesis son los valores esperados exactos antes de redondear a personas enteras.

Sobre el modelo

El simulador modela una prueba diagnóstica aplicada a cada persona de una población de N personas (1 000 o 10 000). Tres números describen la situación: la prevalencia P(D), la fracción de la población que tiene la enfermedad; la sensibilidad P(+ | D), la probabilidad de que una persona enferma dé positivo; y la especificidad P(− | ¬D), la probabilidad de que una persona sana dé negativo. De ahí salen directamente las cuatro casillas de la tabla 2×2: verdaderos positivos N·P(D)·sens, falsos negativos N·P(D)·(1 − sens), falsos positivos N·(1 − P(D))·(1 − spec) y verdaderos negativos N·(1 − P(D))·spec. La cuadrícula dibuja a cada persona como un cuadrado de una de estas cuatro clases. Es una representación en frecuencias naturales en el sentido de Gigerenzer y Hoffrage: en vez de multiplicar probabilidades condicionadas, el alumno cuenta personas, y la cantidad que le importa a un paciente, el valor predictivo positivo P(D | +), se lee como TP / (TP + FP). Es el teorema de Bayes sin la fórmula; escrito queda P(D | +) = sens·P(D) / [sens·P(D) + (1 − spec)·(1 − P(D))], y el indicador muestra exactamente esa línea con los números actuales ya sustituidos. También se muestra el valor predictivo negativo P(¬D | −) = TN / (TN + FN). La lección central es que P(D | +) depende de la prevalencia tanto como de la exactitud de la prueba: con los valores por defecto (1 %, 99 %, 95 %), 99 de las 100 personas enfermas dan positivo, pero también 495 de las 9 900 sanas, así que solo cerca de un positivo de cada seis está enfermo de verdad. La opción «Segunda prueba» vuelve a probar a los positivos de la primera ronda con la misma prueba, toma la primera posteriori como nueva priori y muestra P(D | ++) bajo el supuesto de que los dos resultados son condicionalmente independientes dado el estado de la enfermedad. Simplificaciones: los recuentos son valores esperados redondeados a personas enteras por la regla del resto mayor (los valores exactos figuran al lado), no una muestra aleatoria, así que no hay dispersión de muestreo; la sensibilidad y la especificidad se tratan como exactas y constantes en toda la población; se supone que las pruebas repetidas son independientes, y las pruebas reales a menudo no lo son. Simuladores relacionados: math/bayesian-updating-conjugate-priors sigue la misma idea con parámetros continuos y evidencia repetida; statistics/binomial-distribution y statistics/p-value muestran el lado frecuentista de las mismas probabilidades condicionadas; statistics/type-i-ii-errors-power trata la tasa de falsos positivos como el nivel de significación α y la sensibilidad como la potencia.

Para quién: Probabilidad de secundaria superior (cursos 10–12) y cursos introductorios de estadística o de ciencias de la salud; no hace falta cálculo.

Conceptos clave

  • prevalencia (tasa base)
  • sensibilidad P(+ | D)
  • especificidad P(− | ¬D)
  • tasa de falsos positivos 1 − especificidad
  • valor predictivo positivo P(D | +)
  • valor predictivo negativo P(¬D | −)
  • frecuencias naturales
  • teorema de Bayes

Cómo funciona

Una población de N personas se divide según la prevalencia en enfermos y sanos, y cada grupo se vuelve a dividir con la prueba: los enfermos dan positivo con probabilidad igual a la sensibilidad y los sanos dan negativo con probabilidad igual a la especificidad. La cuadrícula muestra los cuatro grupos resultantes como frecuencias naturales (Gigerenzer): contar cuadrados sustituye a la fórmula, porque la probabilidad de enfermedad dado un positivo, P(D | +), es simplemente los verdaderos positivos divididos por todos los positivos. Esa razón depende de la prevalencia tanto como de la exactitud de la prueba: con una prevalencia del 1 %, una prueba con sensibilidad del 99 % y especificidad del 95 % deja enfermo de verdad solo a cerca de un positivo de cada seis, pues la tasa de falsos positivos del 5 % actúa sobre el grupo sano, mucho mayor. Es el teorema de Bayes sin la fórmula; la segunda prueba muestra cómo la posteriori pasa a ser la nueva priori y la probabilidad sube. Los recuentos son valores esperados redondeados a personas enteras, no una muestra aleatoria.

Fórmulas principales

P(D|+) = P(+|D)·P(D) / [P(+|D)·P(D) + P(+|¬D)·P(¬D)] = sens·prev / (sens·prev + (1−spec)·(1−prev))
P(D|+) = TP / (TP + FP), P(¬D|−) = TN / (TN + FN)
P(+|¬D) = 1 − especificidad, P(−|D) = 1 − sensibilidad
P(D|++) = sens·P(D|+) / [sens·P(D|+) + (1−spec)·(1−P(D|+))] (repetición independiente de la prueba)

Preguntas frecuentes

La prueba es exacta al 99 %. ¿Por qué, tras un positivo, mi probabilidad de estar enfermo es solo de cerca del 17 %?
Porque los dos tipos de error actúan sobre grupos de tamaño muy distinto. Con una prevalencia del 1 % en 10 000 personas hay 100 enfermas y 9 900 sanas. La prueba detecta a 99 de las 100 enfermas (verdaderos positivos), pero también clasifica mal al 5 % de las sanas, que son 495 personas (falsos positivos). Entre los 594 positivos solo 99 están enfermos, así que P(D | +) = 99/594 ≈ 0,167. La cifra del «99 % de exactitud» describe la prueba en las personas enfermas; no dice cuántas personas sanas hay para generar falsas alarmas, y ese número lo fija la prevalencia.
¿Qué importa más para P(D | +), subir la sensibilidad o subir la especificidad?
En una enfermedad rara importa mucho más la especificidad. La sensibilidad multiplica el grupo pequeño de los enfermos, así que pasar del 99 % al 100 % añade como mucho un verdadero positivo por cada cien enfermos. La especificidad controla la tasa de falsos positivos 1 − especificidad, que multiplica el grupo grande de los sanos: pasar del 95 % al 99 % recorta los falsos positivos del ejemplo por defecto de 495 a 99, y P(D | +) sube de cerca del 17 % al 50 %. Con especificidad perfecta no hay ningún falso positivo y todo positivo es un verdadero positivo, sea cual sea la prevalencia. En una afección frecuente (prevalencia del 30 %) los dos grupos tienen un tamaño parecido y la sensibilidad recupera su importancia.
¿Por qué una segunda prueba positiva cambia tanto la probabilidad?
Tras el primer positivo la priori ya no es el 1 %, sino el 16,7 %, y el teorema de Bayes se aplica otra vez con esta priori nueva. Entre los 594 positivos de la primera ronda hay 99 enfermos y 495 sanos; una segunda prueba independiente señala a cerca de 98 de los enfermos y solo a cerca de 25 de los sanos, así que P(D | ++) ≈ 98/123 ≈ 0,80. En forma de razón de probabilidades, cada positivo multiplica la razón de la enfermedad por la misma razón de verosimilitud sens/(1 − spec) = 0,99/0,05 ≈ 20: la razón pasa de 1 : 99 a cerca de 1 : 5 y luego a cerca de 4 : 1. Esto supone que el segundo resultado es independiente del primero dado el estado de la enfermedad; si la misma causa produce un falso positivo las dos veces, la ganancia es menor.
¿Un resultado negativo engaña tanto como uno positivo?
En general no, por la misma razón al revés. El valor predictivo negativo P(¬D | −) = TN / (TN + FN) compara a las personas sanas que dan negativo (9 405 en el ejemplo por defecto) con las enfermas que no se detectan (1). Eso da el 99,99 %, así que un negativo tranquiliza mucho cuando la enfermedad es rara y la sensibilidad es alta. El panorama cambia con una afección frecuente: con una prevalencia del 30 % y una sensibilidad del 90 %, 300 de las 3 000 personas enfermas de un grupo de 10 000 dan negativo y quedan entre 6 300 verdaderos negativos, así que P(¬D | −) baja a cerca del 95,5 % y un negativo ya no descarta la enfermedad.