ความไวและความจำเพาะ

ความไวและความจำเพาะ เป็นค่าวัดทางสถิติที่ใช้ประเมินประสิทธิภาพของการทดสอบที่ให้ผลเป็นสองส่วน (เช่นเป็นบวกและลบ) โดย
ความไวจึงมีประโยชน์ในการวินิจฉัยแยกกันผลลบปลอม (false negative) เพราะว่าการทดสอบยิ่งไวเท่าไร โอกาสการได้ผลลบ (เช่น การพบว่าไม่มีโรค) ที่ไม่เป็นจริง (เช่น บุคคลจริง ๆ มีโรค) ก็น้อยลงเท่านั้น และดังนั้น ถ้าความไวอยู่ที่ 100% โอกาสได้ผลลบปลอมก็อยู่ที่ 0%
และความจำเพาะจึงมีประโยชน์ในการยืนยันภาวะที่มี โดยกันผลบวกปลอม (false positive) เพราะว่าการทดสอบยิ่งจำเพาะเท่าไร โอกาสการได้ผลบวก (เช่น การพบว่ามีโรค) ที่ไม่เป็นจริง (เช่น บุคคลจริง ๆ ไม่มีโรค) ก็น้อยลงเท่านั้น และดังนั้น ถ้าความจำเพาะอยู่ที่ 100% โอกาสได้ผลบวกปลอมก็อยู่ที่ 0%

ในการทดสอบหนึ่ง ๆ ปกติจะต้องแลกเปลี่ยนข้อดีข้อเสีย
ยกตัวอย่างเช่น เพื่อความปลอดภัยของท่าอากาศยาน เครื่องตรวจโลหะอาจจะตั้งให้ส่งสัญญาณเตือนแม้สำหรับวัตถุที่เสี่ยงน้อย เช่น หัวเข็มขัดหรือลูกกุญแจ (คือการตรวจมีความจำเพาะต่ำ) เพื่อลดโอกาสเสี่ยงพลาดวัตถุอันตราย (คือการตรวจมีความไวสูง)
การแลกเปลี่ยนข้อดีข้อเสียเช่นนี้สามารถแสดงในกราฟเส้นโค้ง receiver operating characteristic (ROC)
การทดสอบที่สมบูรณ์จะไว 100% (เช่น คนป่วยทั้งหมดมีผลบวก) และจำเพาะ 100% (เช่น คนปกติทั้งหมดมีผลลบ)
แต่ว่า โดยทฤษฎีแล้ว การทดสอบทุกอย่างจะมีขอบเขตความผิดพลาดต่ำสุดที่เรียกว่า Bayes error rate

ลองสมมุติว่ากำลังประเมินการทดสอบชนิดใหม่ที่ตรวจคัดกรองโรคชนิดหนึ่ง
แต่ละคนที่ทดสอบจริง ๆ มีหรือไม่มีโรค
ผลสอบอาจเป็นบวก คือจัดบุคคลว่ามีโรค หรือเป็นลบ คือจัดบุคคลว่าไม่มีโรค
แต่ผลของแต่ละคนอาจจะไม่เหมือนกับภาวะจริง ๆ
ดังนั้น จะมีกรณีต่าง ๆ 4 อย่าง คือ

โดยทั่วไป Positive = identified และ negative = rejected
ดังนั้น

เราจะพิจารณากลุ่มทดสอบที่มีผลบวกมีจำนวน P และผลลบมีจำนวน N เนื่องจากโรคบางอย่าง
ผล 4 อย่างสามารถทำเป็นตาราง "contingency table" หรือ "confusion matrix" ดังต่อไปนี้

ความไวหมายถึงสมรรถภาพของการทดสอบในการตรวจหาคนที่มีภาวะนั้น ๆ
ในตัวอย่างของเรา ค่าความไวคือสัดส่วนของบุคคลที่ได้ผลบวกจากการทดสอบในบรรดาคนที่มีโรค
ซึ่งเขียนเป็นสมการได้ดังต่อไปนี้

ผลลบจากการทดสอบที่ไวสูงจะมีประโยชน์ในการกันโรคออก (ruling out)
คือเชื่อถือได้เมื่อผลเป็นลบ เพราะว่ามันไม่ค่อยวินิจฉัยผู้ที่มีโรคผิด
การทดสอบที่ไว 100% จะตรวจเจอคนไข้ที่มีโรคทั้งหมดโดยให้ผลบวก
ดังนั้น ผลลบจึงกันออกได้อย่างแน่นอนว่า คนไข้ไม่มีโรค
แต่ผลบวกของการทดสอบที่ไวสูงไม่สามารถยืนยันว่ามีโรค (ruling in)
คือ ลองสมมุติว่ามีการทดสอบ "ปลอม" ที่ออกแบบให้ออกแต่ผลบวกเท่านั้น
ดังนั้น เมื่อทดสอบคนไข้ที่มีโรค คนไข้ทั้งหมดก็จะได้ผลบวก ซึ่งบ่งว่าการทดสอบมีความไว 100%
แต่ว่า โดยนิยามแล้ว ค่าความไวไม่สามารถกันผลบวกปลอมได้
เพราะว่า การทดสอบปลอมก็จะออกผลบวกสำหรับคนปกติทั้งหมด ซึ่งบ่งว่าการทดสอบมีอัตราผลบวกปลอม 100% ทำให้ไม่มีประโยชน์อะไรในการตรวจจับ หรือยืนยันว่ามีโรค
ความไวไม่ใช่อย่างเดียวกับความเที่ยง (precision) หรือค่าทำนายเมื่อผลเป็นบวก (positive predictive value) ซึ่งเป็นอัตราส่วนของผลบวกจริงต่อค่ารวมของผลบวกจริงกับผลบวกปลอม คือเป็นสัดส่วนของผลบวกจริงต่อประชากรที่แสดงผลบวก

การคำนวณค่าความไวไม่รวมผลการทดสอบที่คลุมเครือ
ถ้าไม่สามารถทดสอบใหม่ได้ ตัวอย่างที่คลุมเครือไม่ควรจะรวมเข้าเพื่อวิเคราะห์ (โดยให้ระบุจำนวนตัวอย่างที่ยกเว้นเมื่อแสดงค่าความไว) หรือสามารถปฏิบัติเหมือนกับผลลบปลอม (ซึ่งจะเป็นการแสดงค่าต่ำสุดของความไว และดังนั้น อาจจะเป็นค่าประเมินที่น้อยเกินจริง)

ความจำเพาะเป็นสมรรถภาพของการทดสอบในการตรวจหาบุคคลที่ไม่มีภาวะนั้น ๆ
ลองพิจารณาตัวอย่างการทดสอบคนไข้ของเรา
ค่าความจำเพาะของการทดสอบก็คือสัดส่วนของบุคคลปกติที่ไม่มีโรค ผู้จะทดสอบได้ผลลบ
ซึ่งสามารถเขียนเป็นสมการ
การได้ผลบวกจากการทดสอบจำเพาะสูงมีประโยชน์ในการวินิจฉัยว่าเป็นโรค (ruling in)
เพราะว่า การทดสอบนี้ไม่ค่อยให้ผลบวกในคนปกติ
เมื่อผลทดสอบเป็นบวก การทดสอบที่จำเพาะ 100% แสดงว่า ทั้งหมดเป็นผู้ป่วยโดยไม่มีคนปกติ

ผลลบในการทดสอบที่จำเพาะสูงจะไม่มีประโยชน์ในการกันโรคออก
ลองสมมุติว่ามีการทดสอบ "ปลอม" ที่ออกแบบให้แสดงผลลบเท่านั้น
ซึ่งเมื่อทดสอบคนปกติทุกคน ก็จะแสดงผลลบทุกคน
และนี่ก็จะให้ค่าจำเพาะ 100% ต่อการทดสอบ
แต่การทดสอบเดียวกันก็จะให้ผลลบต่อผู้ป่วยทั้งหมดเหมือนกัน ดังนั้น ก็จะมีอัตราอัตราผลลบปลอมที่ 100% ซึ่งไม่มีประโยชน์อะไรในการกันโรคออก (ruling out)
ความจำเพาะโดยนิยามไม่สามารถกันผลลบปลอมได้
การทดสอบที่จำเพาะสูงจะมีอัตราความผิดพลาดชนิดที่ 1 ต่ำ

ในการวินิจฉัยทางการแพทย์ ความไวเป็นสมรรถภาพของการทดสอบในการระบุคนที่มีโรคอย่างถูกต้อง (อัตราผลบวกจริง) เทียบกับความจำเพาะที่เป็นสมรรถภาพในการระบุผู้ที่ไม่มีโรคอย่างถูกต้อง (อัตราผลลบจริง)
ถ้ามีผู้ป่วย 100 คนที่ทดสอบ แต่มีเพียง 43 คนที่ได้ผลบวก การทดสอบนี้ก็จะมีความไว 43%
ถ้ามีคนปกติ 100 คนที่ทดสอบ แต่มีคน 96 ที่ได้ผลลบ การทดสอบนี้ก็จะมีความจำเพาะ 96%
ความไวและความจำเพาะเป็นคุณสมบัติของการทดสอบที่เป็นอิสระจากความชุกของโรค เพราะว่า ค่าของมันเฉพาะกับการทดสอบและไม่ได้ขึ้นอยู่กับความชุกของกลุ่มประชากรที่เป็นประเด็น
เทียบกับค่าทำนายเมื่อผลเป็นบวก (positive predictive value) และค่าทำนายเมื่อผลเป็นลบ (negative predictive value) ซึ่งเป็นค่าที่ขึ้นกับความชุกของกลุ่มประชากรที่ทดสอบ แต่ความจำเพาะและความไวไม่ใช่
ค่าเหล่านี้แสดงให้ดูเป็นกราฟในแอปเพล็ตนี้ (Bayesian clinical diagnostic model) ซึ่งแสดงค่าทำนายเมื่อผลเป็นบวกและเมื่อผลเป็นลบโดยเป็นฟังก์ชันของความชุกของโรค ความไว และความจำเพาะ

มักกล่าวกันว่า การทดสอบที่จำเพาะสูงมีประโยชน์ในการยืนยันว่ามีโรคเมื่อได้ผลบวก และการทดสอบที่ไวสูงในการกันโรคออกเมื่อได้ผลลบ
มีแม้แต่รหัสช่วยจำ คือ SPIN และ SNOUT ที่ใช้กันอย่างกว้างขวาง ซึ่งมาจากวลีว่า a highly 'SPecific' test, when Positive, rules IN disease (SP-P-IN) คือ การทดสอบที่จำเพาะสูง เมื่อได้ผลบวก จะยืนยันโรค และจากวลีว่า a highly 'SeNsitive' test, when Negative rules OUT disease (SN-N-OUT) คือ การทดสอบที่ไวสูง เมื่อได้ผลลบ จะกันโรคออก
แต่กฎทั้งสองนี้อาจทำให้เข้าใจเหตุผลผิดได้ เพราะว่า กำลังการวินิจฉัยของการทดสอบอย่างใดอย่างหนึ่งจะขึ้นอยู่กับทั้งความไวและความจำเพาะ

ค่าความไวและความจำเพาะเพียงอย่างเดียวอาจทำให้เข้าใจผิด
คือ จะต้องคำนวณค่าแย่ที่สุด (worst-case) ของค่าทั้งสองเพื่อเลี่ยงการพึ่งผลการทดลองที่มีจำนวนน้อย
ยกตัวอย่างเช่น การทดสอบหนึ่งไว 100% เมื่อเทียบกับวิธีการมาตรฐาน (gold standard) 4 ครั้ง แต่ว่าการทดสอบอีกครั้งหนึ่งแสดงผลที่ไม่เท่าเทียม คือเท่ากับแสดงความไวแค่ 80%
วิธีสามัญอย่างหนึ่งก็คือมีการบ่ง binomial proportion confidence interval (คือ ช่วงความเชื่อมั่นในสัดส่วนหนึ่งของประชากรทางสถิติ) ซึ่งบ่อยครั้งคำนวณโดยใช้ Wilson score interval
ดังนั้น ช่วงความเชื่อมั่น (confidence intervals) ของค่าความไวและความจำเพาะสามารถคำนวณได้ โดยให้พิสัยของค่า (คือกำหนดค่าสูงและต่ำ) ที่อยู่ในระดับความเชื่อมั่นขั้นหนึ่ง (เช่น ความเชื่อมั่นที่ 95% ว่าค่าอยู่ระหว่างค่านี้กับค่านี้)

ในการค้นคืนสารสนเทศ (information retrieval) ค่าทำนายเมื่อผลเป็นบวกเรียกว่า precision (ความเที่ยง) และค่าความไวเรียกว่า recall
แต่ไม่เหมือนกับการแลกเปลี่ยนข้อดีข้อเสียระหว่างความจำเพาะเทียบกับความไว ค่าทั้งสองนี้เป็นอิสระจากผลลบจริง (true negative) ซึ่งปกติจะเป็นข้อมูลที่ไม่รู้โดยมีจำนวนมากกว่าจำนวนเอกสารที่เกี่ยวข้องและต้องการค้นคืนมาก
และข้อสมมุติในเรื่องนี้ว่า ผลลบจริงเป็นจำนวนที่ใหญ่กว่ามากจะไม่ค่อยมีในการประยุกต์ใช้ค่าสองอย่างนี้ในประเด็นอื่น ๆ
จึงมีการใช้ F-score เป็นค่าเดียวที่แสดงประสิทธิภาพของการทดสอบที่ได้ผลบวก
โดยเป็น harmonic mean ของ precision และ recall คือ

ในการศึกษาโดยการตรวจสอบสมมติฐานทางสถิติ (statistical hypothesis testing) ความไวของการทดสอบจะเรียกว่า กำลังทางสถิติ (statistical power) ของการทดสอบ แต่คำว่า กำลัง (power) ในเรื่องนี้มีความหมายกว้างกว่าความไวที่ใช้ในบทความนี้
การทดสอบที่ไวจะมีความผิดพลาดชนิดที่ 2 จำนวนน้อยกว่า