기본 콘텐츠로 건너뛰기

생존분석- 콕스 비례위험모형 (1)


 생존분석 (survival analysis)는 의학 연구는 물론 기계의 내구성에 대한 판단 등 여러 분야에서 사용되는 통계 분석 방법입니다. 기본적인 개념은 사망이나 질병 발생, 기계 고장처럼 특정 현상이 발생하기까지 걸리는 시간을 분석하는 통계 분석 방법이라고 할 수 있습니다. 대표적인 방법은 카플란-메이어 (Kaplan-Meier) 생존분석과 콕스 비례위험 모형 (Cox proportional hazards model), 로그 순위법 (Log-rank test) 등이 있습니다. 


 이 방법들은 각각 적용 범위가 다른데 카플란-메이어 생존분석은 특정 집단의 시간에 따른 생존율을 분석하는 것이고 (예를 들어 암 수술후 재발 없이 지내는 시간이나 생존 기간) 로그 순위법은 두 집단의 생존율을 비교하는 것입니다. 콕스 비례위험 모형은 생존율에 영향을 미치는 위험 인자를 분석하는 것으로 예를 들어 허리둘레가 1cm씩 증가할 때 마다 당뇨 위험도가 얼마나 증가하는지를 보는 것입니다. 


 여기서는 각각의 통계 분석 방법에 대한 상세한 설명은 생략하고 R을 통해 어떻게 분석할 수 있는지를 간단히 설명합니다. 우선 콕스 비례 위험 모형에 대해서 설명해 봅니다. 비례위험모형은 기저 분포에 대한 가정 (예를 들어 정규 분포)이 필요없고 여러 공변량을 모형에 넣어 보정해 사용할 수 있어 다양한 경우에 사용될 수 있기 때문에 생존분석에서 가장 널리 사용되는 방식 중 하나입니다. 


 R에서 생존분석을 하기 위해 가장 기본적으로 사용되는 패키지는 survival 패키지 입니다. survival 패키지에는 여러 가지 예제 데이터가 있는데 우선 kidney 데이터를 살펴보겠습니다. 


require(survival)
data(kidney)
str(kidney)


 kidney 데이터에 대한 설명은 위의 링크나 ?kidney를 통해 볼 수 있습니다. 


patient: id
time: time
status: event status
age: in years
sex: 1=male, 2=female
disease: disease type (0=GN, 1=AN, 2=PKD, 3=Other)
frail: frailty estimate from original paper
Note
The original paper ignored the issue of tied times and so is not exactly reproduced by the survival package.

Source
CA McGilchrist, CW Aisbett (1991), Regression with frailty in survival analysis. Biometrics 47, 461–66.


 이 데이터는 신장염 환자들이 투석을 위해 도뇨관 (catheter)를 삽입한 후 감염이 재발하기까지의 시간을 나타낸 것입니다. 감염 이외에 다른 요인으로 도뇨관을 제거하는 경우에는 중도 절단으로 계산하며 이 경우가 0, 감염이 관찰된 경우 1로 status에 코딩되어 있습니다. id는 환자 아이디로 한 환자에서 두 개의 도뇨관이 삽입되었다는 것을 알 수 있습니다. 


 모든 분석에서 그렇듯이 예제를 수행하기 전 kidney 데이터를 한 번 보고서 어떤 데이터인지 대략 확인하는 것이 좋습니다. 다만 의학 쪽 전공자가 아니라면 다소 이해가 되지 않을 데이터도 있습니다. 예를 들어 신장염의 종류의 경우 GN은 사구체신염 (glomerulonephritis)라는 뜻입니다. 카테터는 삽입 후 시간이 지나면서 감염이 생기기 때문에 결국 다시 제거해야 합니다. 하지만 그 전에 다른 문제가 생겨 중단될수도 있습니다. 다만 기본적으로 오래전 데이터라 현재의 술기와 좀 차이가 있는 듯 합니다. 




 이 예제에서는 나이와 성별이 카테터 감염 재발 위험도에 미치는 영향을 알아보기로 하겠습니다. 기본적으로 coxph 기능을 사용하는데, ?coxph를 통해 기본적인 문법을 알 수 있습니다. (coxph(Surv(사건 발생까지 시간 변수, status 는 상태를 코딩한 변수) ~ 알고자 하는 공변량, 방법, 데이터) 생존시간에 동점이 있는 경우 기본적인 처리 방법은 efron입니다.  

kd1<-coxph data="kidney)</span" status="=1)~age," ties="efron" time="" urv="">
summary(kd1)

> kd1<-coxph data="kidney)</span" status="=1)~age," ties="efron" time="" urv="">
> summary(kd1)
Call:
coxph(formula = Surv(time, status == 1) ~ age, data = kidney, 
    ties = "efron")

  n= 76, number of events= 58 

        coef exp(coef) se(coef)     z Pr(>|z|)
age 0.004575  1.004586 0.008957 0.511    0.609

    exp(coef) exp(-coef) lower .95 upper .95
age     1.005     0.9954    0.9871     1.022

Concordance= 0.503  (se = 0.046 )
Rsquare= 0.003   (max possible= 0.993 )
Likelihood ratio test= 0.26  on 1 df,   p=0.6
Wald test            = 0.26  on 1 df,   p=0.6
Score (logrank) test = 0.26  on 1 df,   p=0.6 


 여기서 핵심적인 결과는 exp(coef) 입니다. HR 값을 의미하기 때문입니다. 이 결과를 보면 나이가 한 살 더 많아지면 위험도는 1.005 (95% CI 0.987 - 1.022)배 증가하는 것으로 보입니다. 통계적 유의성이 없는 것으로 판단할 수 있습니다. 그렇다면 성별은 어떨까요? 

kd2<-coxph data="kidney)</span" status="=1)~factor(sex)," ties="efron" time="" urv="">
summary(kd2)

> kd2<-coxph data="kidney)</span" status="=1)~factor(sex)," ties="efron" time="" urv="">
> summary(kd2)
Call:
coxph(formula = Surv(time, status == 1) ~ factor(sex), data = kidney, 
    ties = "efron")

  n= 76, number of events= 58 

                coef exp(coef) se(coef)      z Pr(>|z|)   
factor(sex)2 -0.8377    0.4327   0.2966 -2.824  0.00474 **
---
Signif. codes:  0 ‘***’ 0.001 ‘**’ 0.01 ‘*’ 0.05 ‘.’ 0.1 ‘ ’ 1

             exp(coef) exp(-coef) lower .95 upper .95
factor(sex)2    0.4327      2.311    0.2419    0.7738

Concordance= 0.636  (se = 0.031 )
Rsquare= 0.089   (max possible= 0.993 )
Likelihood ratio test= 7.07  on 1 df,   p=0.008
Wald test            = 7.98  on 1 df,   p=0.005
Score (logrank) test = 8.4  on 1 df,   p=0.004


 결과를 보면 여성인 경우 위험도는 0.4327배 (95% CI 0.2419 - 0.7738)인 것으로 나타납니다. 여성에서 카테터 감염이 생길 비례위험이 훨씬 작다는 의미입니다. P값은 0.00474로 역시 유의합니다. 이번에는 모델에 나이와 성별 모두 넣어 보겠습니다. 

kd3<-coxph data="kidney)</span" factor="" sex="" status="=1)~age" ties="efron" time="" urv="">
summary(kd3)

> kd3<-coxph data="kidney)</span" factor="" sex="" status="=1)~age" ties="efron" time="" urv="">
> summary(kd3)
Call:
coxph(formula = Surv(time, status == 1) ~ age + factor(sex), 
    data = kidney, ties = "efron")

  n= 76, number of events= 58 

                  coef exp(coef)  se(coef)      z Pr(>|z|)   
age           0.002032  1.002034  0.009246  0.220  0.82607   
factor(sex)2 -0.829314  0.436349  0.298955 -2.774  0.00554 **
---
Signif. codes:  0 ‘***’ 0.001 ‘**’ 0.01 ‘*’ 0.05 ‘.’ 0.1 ‘ ’ 1

             exp(coef) exp(-coef) lower .95 upper .95
age             1.0020      0.998    0.9840     1.020
factor(sex)2    0.4363      2.292    0.2429     0.784

Concordance= 0.662  (se = 0.046 )
Rsquare= 0.089   (max possible= 0.993 )
Likelihood ratio test= 7.12  on 2 df,   p=0.03
Wald test            = 8.02  on 2 df,   p=0.02
Score (logrank) test = 8.45  on 2 df,   p=0.01


 역시 비슷한 결과이지만, 그래도 나이가 보정된 성별 비례 위험도를 알 수 있습니다. 이런식으로 모델에 여러 변수를 넣어 서로 보정한 결과를 알 수 있습니다. survival 패키지는 여러 가지 기능을 제공하는데, 그 중에서는 각 관측치의 위험률 추정치나 회귀식 추정치 등을 보여주는 predict 기능도 있습니다. 


> predict(kd3, type = "risk")
 [1] 1.7845712 1.7845712 0.8109912 0.8109912 1.7991344 1.7991344 0.7834563 0.7850498 1.7204816 1.7204816 0.7599381 0.7614838 1.8699495 1.8699495 0.8226085 0.8242817
[17] 0.8463448 0.8463448 1.8699495 1.8737529 0.8044266 0.8044266 0.7882465 0.7882465 0.7898498 0.7898498 0.8011642 0.8011642 0.7614838 0.7614838 1.9044598 1.9044598
[33] 0.8310083 0.8310083 0.8027937 0.8044266 0.8192724 0.8192724 0.8044266 0.8044266 1.8510481 1.8548131 0.7818660 0.7818660 0.8343922 0.8360893 0.8011642 0.8027937
[49] 1.8397991 1.8397991 0.8259582 0.8276382 0.7507297 0.7507297 0.8176094 0.8176094 1.8775640 1.8775640 0.8209388 0.8209388 0.8242817 0.8242817 0.8142936 0.8159498
[65] 0.8259582 0.8259582 0.8044266 0.8060627 0.7692594 0.7692594 0.8011642 0.8011642 0.8176094 0.8176094 1.9044598 1.9044598


 76개 관측치 각각의 비례 위험도를 보여주는데, 어떤 사람에서 특히 위험도가 높은지를 추정할 수 있습니다. 


댓글

이 블로그의 인기 게시물

중등도 코로나 19 환자에서 제한적인 효과만을 확인한 렘데시비르

   현재 렘데시비르는 인공 호흡기 치료가 필요한 환자 등 중증 코로나 19 환자의 치료제로 사용되고 있습니다. 다만 공급이 부족해서 갑자가 중증 코로나 19 환자가 늘어날 경우 수급 문제가 불거질 수밖에 없습니다. 따라서 이를 중등도 코로나 19 환자 (경증이나 무증상은 당연히 치료가 필요없거나 대증 요법 정도) 사용한다는 것은 지금 당장에 급한 연구는 아니지만, 나중에 수급량이 많아지고 가격이 낮아질 때를 생각하면 의미 있는 연구 결과입니다.   렘데시비르 제조사인 길리어드 사이언스의 다아애나 브레이너드 박사 ( Dr. Diana Brainard of Gilead Sciences )는 병원에 입원이 필요했던 중등도 코로나 19 환자 584명을 렘데시비르 5일, 10일 투여 실험군과 위약을 투여한 대조군으로 나눠 임상 경과, 사망 등 중요한 합병증 발생 등에서 차이를 보이는지 조사했습니다. 연구 대상자의 40% 이상은 당뇨 같은 만성 질환이 있었으며 평균 연령은 57세였습니다.   연구 결과 대조군의 2%, 5일 투여군의 2%, 10일 투여군의 1%가 사망했으나 사망자 수가 4명, 3명, 2명 정도로 통계적 차이를 판단하기에는 사망자 수가 적어 결론을 내리기 어려웠습니다. 연구팀은 5일 투여군에서 임상 경과가 다소 호전되는 것을 판단했으나 10일 투여군에서는 통계적 차이를 검증할 수 없었습니다. 결론적으로 말해 중등도 코로나 19 환자에서 렘데시비르 투여는 확실한 임상적 이득이 없었습니다.     5일 투여량만 해도 가격이 3120달러라는 점을 감안할 때 중등도 환자에서 렘데시비르 투여는 설령 공급이 원활하다고 해도 적절한 치료법이 아닌 것으로 판단됩니다. 더구나 지금처럼 공급이 불안해 중증 환자 투여 물량 확보가 아쉬운 상황에서는 말할 것도 없습니다.  이번 연구는 렘데시비르보다 효과가 뛰어나면서 저렴한 차세대 항바이러스 치료제의 필요성을 다시 보여준 것으로 생각됩니다....

178Tb/s - 광섬유 통신 신기록 수립

  ( Lidia Galdino, lead researcher on the study. Credit: James Tye / UCL )  현재 가정에 들어오는 초고속 광통신은 10Gb/s 정도가 가장 빠른 편입니다. 그러나 사실 광섬유를 통해서 보낼 수 있는 정보량은 이것보다 훨씬 많습니다. 현재 개발 중인 기술 가운데서는 이미 1Tb/s 이상이 속도를 지닌 것들이 많아 미래에는 테라 인터넷 시대가 가능할 것으로 예상됩니다. 그런 가운데 영국 유니버시티 칼리지 런던 (UCL)의 리디아 갈디노( Lidia Galdino )가 이끄는 연구팀이 178Tb/s라는 신기록을 세웠다는 소식입니다.   광섬유 통신을 위한 주파수는 4.5THz까지 높일 수 있습니다. 최근에 개발된 신기술은 9THz 벽도 돌파했습니다. 그러나 연구팀은 16.8THz라는 새로운 영역에 도달했습니다. 주파수가 높을 수록 더 많은 정보를 전송할 수 있습니다. 하지만 16.8THz의 주파수로도 178Tb/s의 데이터 전송 속도는 사실 불가능합니다. 연구팀은  Geometric Shaping (GS) 방식으로 레이저 신호의 페이즈, 밝기, 편광 수준을 조절해 여러 신호가 서로 간섭 없이 전달되게 만들어 이런 신기록을 수립했습니다.   물론 새로운 기술이 항상 그렇듯이 바로 상용화가 가능한 것은 아닙니다. 특히 광섬유는 장거리 정보 전송이 가능해야 할 뿐 아니라 오류 없이 장시간 작동이 가능해야 합니다. 자꾸 에러가 생기거나 고장난다면 아무리 속도가 빨라도 무용지물입니다. 이 단계를 극복하고 경제성까지 갖춰 실용화 되는 경우는 사실 소수에 지나지 않습니다.   하지만 경쟁적으로 Tb 급 대역폭을 지닌 광통신 기술이 개발되고 있어 테라바이트 급 정보도 순식간에 전송할 수 있는 시대가 올 것은 분명합니다. 과거 전화선을 이용한 56K 모뎀에서 지금의 광섬유 기반 초고속 인터넷이 온 것처럼 속도는 계속 빨라질 수밖에 없기 때문입니다...

코로나 19 감염 위험성이 큰 동물은?

  ( A new genomic study ranks the potential of the SARS-CoV-2 spike protein to bind to the ACE2 receptor site in 410 vertebrate animals. Old World primates and great apes, which have identical amino acids at the binding site as humans, are predicted to have a very high propensity for binding ACE2 and are likely susceptible to SARS-CoV-2 infection. Credit: Matt Verdolivo/UC Davis )    코로나 19를 일으키는  SARS-CoV-2는 사스 및 메르스와 마찬가지로 박쥐를 자연 숙주로 삼는 베타 코로나바이러스 계통입니다. 따라서 본래 박쥐에 살던 바이러스가 중간 단계를 거쳐 사람으로 넘어온 것으로 추정됩니다. 그런데 이 이야기는 SARS-CoV-2 역시 사람에만 감염되는 것이 아니라 종을 넘어 다른 포유류나 조류, 혹은 척추동물에 감염될 수 있음을 시사합니다. 코로나 바이러스가 침투하는 경로인 ACE2 수용체는 다른 척추동물에서도 볼 수 있기 때문입니다. 다만 SARS-CoV-2와 ACE2 수용체의 결합 수준은 동물마다 큰 차이가 있어 감염 위험도는 모두 다를 수밖에 없습니다.   캘리포니아 대학 데이비스 캠퍼스 (UC Davis)의 조안나 다마스 (Joana Damas)와 그 동료들은 410종의 척추동물에서 ACE2 수용체 유전자를 조사해 코로나 19 감염 위험도를 조사했습니다. 연구팀에 따르면 ACE2 수용체 전체가 아니라 25개의 아미노산 배열이 특히 결합력에 큰 영향을 미쳐 감염 가능성을 결정합니다.   연구 결과 쉽게 예상할 수 있듯이 사람과 가까운 침팬치, 고릴라, 보노보...