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Início/Estatística e probabilidade/Teorema de Bayes: o paradoxo do teste médico

Teorema de Bayes: o paradoxo do teste médico

Sensibilidade, especificidade e prevalência numa grade 2×2 da população; por que um teste positivo ainda pode significar uma chance baixa de doença.

Doença e teste

1%
99 %
95 %

Predefinições

Grade da população

Tamanho da população

A grade é um desenho em frequências naturais (Gigerenzer): cada quadrado é uma pessoa, e os números esperados nas quatro células são N·prev·sens, N·prev·(1−sens), N·(1−prev)·(1−spec) e N·(1−prev)·spec, arredondados a pessoas inteiras pela regra do maior resto, de modo que somem N. Não é um sorteio — a dispersão amostral fica de fora de propósito, para as contagens coincidirem com as probabilidades exatamente, salvo o arredondamento. P(D | +) lê-se direto como os verdadeiros positivos divididos por todos os positivos: o teorema de Bayes sem a fórmula.

Atalhos de teclado

  • •Espaço / Enter — mostrar só positivos liga / desliga
  • •R — reiniciar

Grandezas medidas

Prevalência P(D)1%
Sensibilidade P(+ | D)99%
Especificidade P(− | ¬D)95%
Taxa de falsos positivos 1 − spec5%
Verdadeiros positivos VP99
Falsos positivos FP495
Falsos negativos FN1
Verdadeiros negativos VN9 405
Fração que testa 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

As contagens entre colchetes são os valores esperados exatos, antes do arredondamento a pessoas inteiras.

Sobre o modelo

O simulador modela um teste diagnóstico aplicado a cada pessoa de uma população de N pessoas (1 000 ou 10 000). Três números descrevem a situação: a prevalência P(D), a fração da população que tem a doença; a sensibilidade P(+ | D), a probabilidade de uma pessoa doente testar positivo; e a especificidade P(− | ¬D), a probabilidade de uma pessoa saudável testar negativo. Desses números saem direto as quatro células da tabela 2×2: verdadeiros positivos N·P(D)·sens, falsos negativos N·P(D)·(1 − sens), falsos positivos N·(1 − P(D))·(1 − spec) e verdadeiros negativos N·(1 − P(D))·spec. A grade desenha cada pessoa como um quadrado numa dessas quatro classes. É uma representação em frequências naturais, no sentido de Gigerenzer e Hoffrage: em vez de multiplicar probabilidades condicionais, o aluno conta pessoas, e a grandeza que importa a um paciente, o valor preditivo positivo P(D | +), lê-se como VP / (VP + FP). Isso é o teorema de Bayes sem a fórmula; por extenso, P(D | +) = sens·P(D) / [sens·P(D) + (1 − spec)·(1 − P(D))], e a leitura imprime exatamente essa linha com os números atuais no lugar. O valor preditivo negativo P(¬D | −) = VN / (VN + FN) também é mostrado. A lição central é que P(D | +) depende da prevalência tanto quanto da exatidão do teste: com os valores padrão (1 %, 99 %, 95 %), 99 das 100 pessoas doentes testam positivo, mas também 495 das 9 900 saudáveis, de modo que só cerca de um positivo em seis está de fato doente. A opção «Segundo teste» testa de novo os positivos da primeira rodada com o mesmo teste, tratando a primeira posteriori como a nova priori, e mostra P(D | ++) na hipótese de que os dois resultados são condicionalmente independentes dado o estado da doença. Simplificações: as contagens são valores esperados arredondados a pessoas inteiras pela regra do maior resto (os valores exatos ficam listados ao lado), não uma amostra aleatória, de modo que não há dispersão amostral; a sensibilidade e a especificidade são tratadas como exatas e constantes em toda a população; testes repetidos são supostos independentes, o que testes reais muitas vezes não são. Simuladores vizinhos: math/bayesian-updating-conjugate-priors continua a mesma ideia com parâmetros contínuos e evidência repetida; statistics/binomial-distribution e statistics/p-value mostram o lado frequentista das mesmas probabilidades condicionais; statistics/type-i-ii-errors-power trata a taxa de falsos positivos como o nível de significância α e a sensibilidade como o poder do teste.

Para quem: Ensino médio (10.º–12.º ano), em unidades de probabilidade, e cursos introdutórios de estatística ou de ciências da saúde; sem cálculo.

Conceitos-chave

  • prevalência (taxa de base)
  • sensibilidade P(+ | D)
  • especificidade P(− | ¬D)
  • taxa de falsos positivos 1 − spec
  • valor preditivo positivo P(D | +)
  • valor preditivo negativo P(¬D | −)
  • frequências naturais
  • teorema de Bayes

Como funciona

Uma população de N pessoas é dividida pela prevalência em doentes e saudáveis, e cada grupo é dividido de novo pelo teste: os doentes testam positivo com probabilidade igual à sensibilidade, os saudáveis testam negativo com probabilidade igual à especificidade. A grade mostra os quatro grupos resultantes como frequências naturais (Gigerenzer): contar quadrados substitui a fórmula, porque a probabilidade de doença dado um teste positivo, P(D | +), é simplesmente os verdadeiros positivos divididos por todos os positivos. Essa razão depende da prevalência tanto quanto da exatidão do teste — com prevalência de 1 %, um teste com sensibilidade de 99 % e especificidade de 95 % deixa só cerca de um positivo em seis de fato doente, já que a taxa de 5 % de falsos positivos age sobre o grupo saudável, bem maior. Isso é o teorema de Bayes sem a fórmula; o segundo teste mostra como a posteriori vira a nova priori e a probabilidade sobe. As contagens são valores esperados arredondados a pessoas inteiras, não uma amostra aleatória.

Fórmulas principais

P(D|+) = P(+|D)·P(D) / [P(+|D)·P(D) + P(+|¬D)·P(¬D)] = sens·prev / (sens·prev + (1−spec)·(1−prev))
P(D|+) = VP / (VP + FP), P(¬D|−) = VN / (VN + FN)
P(+|¬D) = 1 − especificidade, P(−|D) = 1 − sensibilidade
P(D|++) = sens·P(D|+) / [sens·P(D|+) + (1−spec)·(1−P(D|+))] (teste repetido independente)

Perguntas frequentes

O teste acerta 99 %, então por que a minha chance de estar doente depois de um positivo é só cerca de 17 %?
Porque os dois tipos de erro agem sobre grupos de tamanho muito diferente. Com prevalência de 1 % em 10 000 pessoas há 100 doentes e 9 900 saudáveis. O teste detecta 99 dos 100 doentes (verdadeiros positivos), mas também classifica mal 5 % dos saudáveis, o que dá 495 pessoas (falsos positivos). Entre os 594 positivos, só 99 estão doentes, de modo que P(D | +) = 99/594 ≈ 0,167. A cifra «99 % de acerto» descreve o teste nas pessoas doentes; não diz nada sobre quantas pessoas saudáveis existem para gerar alarmes falsos, e esse número é fixado pela prevalência.
O que pesa mais para P(D | +): subir a sensibilidade ou subir a especificidade?
Para uma doença rara, a especificidade pesa muito mais. A sensibilidade multiplica o grupo pequeno dos doentes, de modo que passar de 99 % a 100 % acrescenta no máximo um verdadeiro positivo por cem pessoas doentes. A especificidade controla a taxa de falsos positivos 1 − spec, que multiplica o grupo grande dos saudáveis: passar de 95 % a 99 % corta os falsos positivos do exemplo padrão de 495 para 99, e P(D | +) sobe de cerca de 17 % para 50 %. Com especificidade perfeita não há falso positivo nenhum, e todo positivo é um verdadeiro positivo, seja qual for a prevalência. Para uma condição comum (prevalência de 30 %) os dois grupos têm tamanho comparável e a sensibilidade recupera a importância.
Por que um segundo teste positivo muda tanto a probabilidade?
Depois do primeiro positivo, a priori já não é 1 %, e sim 16,7 %, e o teorema de Bayes é aplicado de novo com essa nova priori. Entre os 594 positivos da primeira rodada há 99 doentes e 495 saudáveis; um segundo teste independente marca cerca de 98 dos doentes e só cerca de 25 dos saudáveis, de modo que P(D | ++) ≈ 98/123 ≈ 0,80. Na forma de chances, cada resultado positivo multiplica as chances da doença pela mesma razão de verossimilhança sens/(1 − spec) = 0,99/0,05 ≈ 20: as chances vão de 1 : 99 para cerca de 1 : 5 e depois para cerca de 4 : 1. Isso supõe que o segundo resultado é independente do primeiro, dado o estado da doença; se a mesma causa produz um falso positivo nas duas vezes, o ganho é menor.
Um resultado negativo engana tanto quanto um positivo?
Em geral não, pelo mesmo motivo ao contrário. O valor preditivo negativo P(¬D | −) = VN / (VN + FN) compara as pessoas saudáveis que testam negativo (9 405 no exemplo padrão) com os doentes que o teste deixa passar (1). Isso dá 99,99 %, de modo que um resultado negativo é muito tranquilizador quando a doença é rara e a sensibilidade é alta. O quadro muda numa condição comum: com prevalência de 30 % e sensibilidade de 90 %, 300 das 3 000 pessoas doentes num grupo de 10 000 testam negativo e ficam entre 6 300 verdadeiros negativos, de modo que P(¬D | −) cai para cerca de 95,5 % e um resultado negativo já não descarta a doença.