5 Modèle de Cox à risques proportionnels

On a vu comment estimer la fonction de survie groupe par groupe (Kaplan-Meier) et comment comparer globalement ces courbes (log-rank). Deux besoins restent pourtant sans réponse :

  • Le log-rank est un test : il dit si les courbes diffèrent, mais pas de combien. Il ne fournit aucune mesure de l’intensité de l’association.
  • Le log-rank ne permet pas d’ajuster sur d’autres variables. Un log-rank stratifié peut tenir compte de quelques variables catégorielles, mais le nombre de strates augmente très vite, et une variable quantitative (p. ex., l’âge) doit être découpée en classes.

Au chapitre précédent, l’OR de Mantel-Haenszel avait laissé la place à la régression logistique. Ici, c’est le log-rank qui laisse la place au modèle de Cox !

Le modèle de régression le plus utilisé en analyse de survie est le modèle de Cox à risques proportionnels. Il modélise la fonction de risque instantané \(\alpha(t)\), définie en section 2.5, en fonction de variables explicatives \(X\). Il permet :

  • d’estimer une mesure d’association, le risque relatif, avec son intervalle de confiance ;
  • d’ajuster sur plusieurs variables, qualitatives ou quantitatives ;
  • de prendre en compte la censure à droite et l’entrée retardée.

David Roxbee Cox a proposé ce modèle en 1972 ; son article montre comment estimer les effets des variables sans imposer une forme à la fonction de risque de base (Cox 1972).

Avertissement
  • Dans ce chapitre, on note \(RR\) (pour risque relatif) le rapport de deux risques instantanés. En anglais, et dans beaucoup d’articles écrits en français, on le note HR (pour hazard ratio) : il s’agit de la même chose.

  • Attention toutefois : ce RR n’est pas le risque relatif vu au chapitre précédent (section “Comment comparer deux cotes ?” du chapitre Régression logistique binaire), qui était un rapport de proportions (“nombre d’évènements / effectif du groupe”) calculé à un horizon fixé.

Enfin, comme le modèle de Cox est un modèle de régression, les remarques faites aux chapitres précédents s’appliquent ici aussi (ajustement, modification de l’effet…).

5.1 Écriture du modèle

ImportantDéfinition

L’équation du modèle de Cox est : \[ \alpha(t\mid X) = \alpha_0(t) \exp(\beta_1 X_1 + \beta_2 X_2 + \dots + \beta_p X_p) = \alpha_0(t) \exp(\beta^\top X), \] où

  • \(\alpha(t\mid X)\) est le risque instantané au temps \(t\) d’un sujet de caractéristiques \(X\) ;
  • \(\alpha_0(t)\) est le risque de base, c’est-à-dire le risque instantané d’un sujet dont toutes les variables explicatives valent \(0\) ;
  • \(X = (X_1, X_2, \dots, X_p)^\top\) est le vecteur des \(p\) variables explicatives ;
  • \(\beta = (\beta_1, \beta_2, \dots, \beta_p)^\top\) est le vecteur des coefficients de régression associés.
NoteExemple

On suit des patients pendant 24 mois après une intervention chirurgicale. Certains présentaient, avant l’intervention, un facteur de risque : on les appelle les exposés. Notons \(X\) la variable d’exposition, codée \(1\) pour les exposés et \(0\) pour les non-exposés.

Le modèle s’écrit \(\alpha(t\mid X)=\alpha_0(t)\exp(\beta X)\), et :

  • pour un non-exposé, \(\alpha(t\mid X=0)=\alpha_0(t)\exp(0)=\alpha_0(t)\) ;
  • pour un exposé, \(\alpha(t\mid X=1)=\alpha_0(t)\exp(\beta)\)

Notons que le risque d’un sujet “exposé” diffère du risque d’un “non-exposé” par un facteur multiplicatif \(\exp(\beta)\). Ce facteur correspond au RR entre les deux groupes.

Ce modèle est dit semi-paramétrique : il laisse le risque de base \(\alpha_0(t)\) non spécifié (partie “non paramétrique”, qui ne dépend que du temps), tout en décrivant l’association avec les variables explicatives par un nombre fini de paramètres \(\beta\) (partie “paramétrique”). De plus, on peut lire ce modèle comme un produit de deux morceaux : \[ \underbrace{\alpha(t\mid X)}_{\text{risque du sujet}} = \underbrace{\alpha_0(t)}_{\substack{\text{risque de base}\\ \text{(dépend du temps)}}} \times \underbrace{\exp(\beta_1 X_1 + \dots + \beta_p X_p)}_{\substack{\text{facteur multiplicatif}\\ \text{(dépend des variables)}}} \]

C’est une des raisons qui explique son succès : on n’a pas besoin de savoir comment le risque évolue au cours du temps pour estimer l’association avec les variables explicatives !

Note

Contrairement à la régression logistique, le modèle de Cox ne contient pas d’intercept \(\beta_0\). Son rôle est tenu par le risque de base \(\alpha_0(t)\).

Le mécanisme multiplicatif est illustré en Figure 1. Tous les sujets partagent la même forme de risque au cours du temps, celle du risque de base : si le facteur \(\exp(\beta^\top X)\) est supérieur à 1, la courbe du sujet est au-dessus de celle du risque de base ; s’il est inférieur à 1, elle est en dessous.

Figure 1: Illustration de l’effet du facteur multiplicatif \(\exp(\beta^\top X)\) sur la fonction de risque de base \(\alpha_0(t)\). En noir, le risque de base correspond à un facteur égal à 1 ; les autres courbes sont obtenues en le multipliant par 2 (tirets jaunes) ou par 0,5 (alternance points-tirets).

5.2 Pourquoi “à risques proportionnels” ?

Comparons deux sujets \(i\) et \(j\), de caractéristiques \(X_i\) et \(X_j\). Dans le modèle de Cox, ils partagent le même risque de base \(\alpha_0(t)\). Le rapport de leurs risques instantanés s’écrit donc : \[ \frac{\alpha(t\mid X_i)}{\alpha(t\mid X_j)} = \frac{\cancel{\alpha_0(t)}\exp(\beta^\top X_i)}{\cancel{\alpha_0(t)}\exp(\beta^\top X_j)} = \exp\bigl(\beta^\top (X_i - X_j)\bigr) \]

Ce rapport ne dépend plus du temps : c’est exactement cela, la proportionnalité des risques. Le risque de chaque sujet évolue au cours du suivi, mais le risque de l’un reste, à chaque instant, un multiple fixe du risque de l’autre.

NoteExemple

Supposons le modèle \(\alpha(t\mid X)=\alpha_0(t)\exp\bigl(0{,}69\,X + 0{,}03\,(\text{âge}-50)\bigr)\), où \(X\) est l’exposition et où l’âge est centré à 50 ans. Le risque de base \(\alpha_0(t)\) est donc celui d’un non-exposé de 50 ans. Comparons un exposé de 70 ans à un non-exposé de 50 ans : \[ \frac{\alpha(t\mid X=1,\ \text{âge}=70)}{\alpha(t\mid X=0,\ \text{âge}=50)} = \frac{\exp(0{,}69\times 1 + 0{,}03\times 20)\alpha_0(t)}{\exp(0{,}69\times 0 + 0{,}03\times 0)\alpha_0(t)} = \exp(0{,}69\times 1 + 0{,}03\times 20) =\exp(1{,}29)\approx 3{,}63 \]

Note
  • La proportionnalité des risques est une hypothèse forte du modèle de Cox : elle implique que l’effet d’une variable sur le risque instantané est constant dans le temps. En pratique, c’est rarement le cas (p. ex., un traitement efficace au début mais qui perd de son efficacité ; une chirurgie qui augmente le risque de décès dans la période périopératoire mais le diminue à plus long terme).
  • La proportionnalité des risques étant une hypothèse du modèle, elle doit être évaluée lors de l’analyse. Ceci est abordé en section 6.

5.3 Interpréter un modèle de Cox

Cette proportionnalité des risques est pratique pour interpréter nos résultats. En effet, après avoir estimé le modèle, on obtient un coefficient \(\hat\beta\) pour chaque variable explicative. Si on en prend son exponentielle, \(\exp(\hat\beta)\), on obtient alors un risque relatif.

ImportantDéfinition

Le risque relatif (RR, ou HR) entre deux profils \(X_i\) et \(X_j\) est le rapport de leurs risques instantanés : \[ RR = \frac{\alpha(t\mid X_i)}{\alpha(t\mid X_j)} = \exp\bigl(\beta^\top (X_i - X_j)\bigr) \]

Comme pour l’OR au chapitre précédent, on a trois cas possibles :

  • \(RR=1\) : les deux profils ont le même risque d’évènement (absence d’association) ;
  • \(RR>1\) : le risque d’évènement est plus élevé pour le profil \(X_i\) que pour le profil \(X_j\) ;
  • \(RR<1\) : le risque d’évènement est plus faible pour le profil \(X_i\) que pour le profil \(X_j\).

Avec évènement défavorable (p. ex., décès, rechute), un \(RR > 1\) indique un facteur de risque et un \(RR < 1\) indique un facteur protecteur. Si l’évènement est favorable (p. ex., guérison, rémission), l’interprétation est simplement inversée.

Illustrons cela avec les données de l’étude Toxo. Les 550 patients ont été suivis jusqu’à 970 jours après la randomisation et 89 d’entre eux ont présenté une toxoplasmose. L’évènement étudié est la toxoplasmose, et les décès survenus avant toute toxoplasmose sont censurés. On s’intéresse alors à trois caractéristiques recueillies à l’inclusion :

  • le sexe : 468 hommes et 82 femmes ;
  • l’âge, découpé en trois classes : moins de 35 ans (183 patients), de 35 à 44 ans (239 patients) et 45 ans ou plus (128 patients) ;
  • le nombre de lymphocytes CD4, en cellules/mm\(^3\), qui mesure le degré d’immunodépression (plus il est bas, plus le système immunitaire est affaibli).

5.3.1 Avec une variable explicative (RR bruts)

5.3.1.1 Variable explicative binaire

Soit une variable binaire \(X\), codée 1 pour la modalité étudiée et 0 pour la modalité de référence. D’après le modèle de Cox : \[ \alpha(t\mid X=1)=\alpha_0(t)\exp(\beta) \quad \text{et} \quad \alpha(t\mid X=0)=\alpha_0(t) \] Le risque relatif est le rapport de ces deux risques instantanés : \[ RR=\frac{\alpha(t\mid X=1)}{\alpha(t\mid X=0)} = \frac{\alpha_0(t)\exp(\beta)}{\alpha_0(t)} = \exp(\beta) \]

À chaque instant \(t\), le risque d’évènement d’un sujet \(X=1\) vaut \(\exp(\beta)\) fois celui d’un sujet \(X=0\). Si \(\exp(\beta) = 2\), le risque d’évènement est deux fois plus élevé, et ce à tout instant du suivi. On peut aussi présenter un RR en pourcentage. Pour cela, on regarde son écart à 1 :

  • \(RR=1{,}5\) : le risque d’évènement est augmenté de 50 % ;
  • \(RR=2\) : le risque d’évènement est doublé (augmenté de 100 %) ;
  • \(RR=0{,}8\) : le risque d’évènement est diminué de 20 % ;
  • \(RR=0{,}5\) : le risque d’évènement est deux fois plus faible (diminué de 50 %).
NoteExemple

Avec les hommes en référence, estimons le modèle \[\alpha(t\mid \text{sexe})=\alpha_0(t)\exp\bigl(\beta_{\text{sexe}}\times\mathbf{1}(\text{sexe}=\text{femme})\bigr)\]

On obtient que \(\hat\beta_{\text{sexe}}=-0{,}023\), ce qui correspond à un risque relatif \(\widehat{RR}=\exp(-0{,}023)\approx 0{,}98\) : le risque de toxoplasmose est 0,98 fois celui des hommes chez les femmes. Mieux formulé, on peut dire que le risque est 2 % plus faible chez les hommes que chez les femmes.

5.3.1.2 Variable explicative qualitative à plus de deux modalités

Une variable qualitative à \(K\) modalités est représentée, comme en régression logistique, par \(K-1\) indicatrices : l’une des modalités sert de référence. Chaque RR compare alors une modalité à la référence.

NoteExemple

En prenant les moins de 35 ans comme référence, on estime le modèle : \[ \alpha(t\mid\text{âge})=\alpha_0(t)\exp\bigl(\beta_1\,\mathbf{1}(35\leq\text{âge}<45)+\beta_2\,\mathbf{1}(\text{âge}\geq 45)\bigr) \]

Tableau 1: Modèle de Cox simple associant l’âge en trois classes au risque de toxoplasmose.
Terme \(\beta\) Erreur standard z p-valeur RR IC 95 % RR
Âge (réf. moins de 35 ans) 0,77
 35 à 44 ans 0,105 0,253 0,41 0,680 1,11 [0,68 ; 1,82]
 45 ans ou plus 0,207 0,283 0,73 0,466 1,23 [0,71 ; 2,14]

Le risque de base \(\alpha_0(t)\) est ici celui des moins de 35 ans. Ainsi :

  • Le risque d’avoir la toxoplasmose est estimé 1,11 fois plus élevé (+11 %) chez les 35-44 ans que chez les moins de 35 ans …
  • … et 1,23 fois plus élevé (+23 %) chez les 45 ans ou plus que chez les moins de 35 ans.

Enfin, pour comparer deux modalités dont aucune n’est la référence, on fait la différence de leurs coefficients. Pour les 45 ans ou plus par rapport aux 35-44 ans : \[ \widehat{RR}_{\geq 45 \text{ vs } 35\text{-}44}=\exp(\hat\beta_2-\hat\beta_1)=\exp(0{,}207-0{,}105)=\exp(0{,}102)\approx 1{,}11 \]

Dans l’exemple précédent, le risque semble augmenter légèrement avec l’âge. Cependant, les intervalles de confiance contiennent 1, donc cet effet n’est pas significatif ; les p-valeurs sont supérieures à 0,05.

5.3.1.3 Variable explicative quantitative

Si la variable \(X\) est quantitative, on compare deux sujets dont les valeurs de \(X\) diffèrent d’une unité, \(X=x+1\) et \(X=x\) : \[ RR=\frac{\alpha(t\mid X=x+1)}{\alpha(t\mid X=x)} = \frac{\alpha_0(t)\exp(\beta(x+1))}{\alpha_0(t)\exp(\beta x)} = \exp(\beta) \]

À chaque instant \(t\), une augmentation d’une unité de \(X\) multiplie le risque instantané par \(\exp(\beta)\), quelle que soit la valeur de départ \(x\). Si \(\exp(\beta) = 1{,}10\), le risque est multiplié par 1,10 en passant de \(X=10\) à \(X=11\), mais aussi en passant de \(X=50\) à \(X=51\).

Plus généralement, pour une augmentation de \(d\) unités : \[ RR(d)=\frac{\alpha_0(t)\exp(\beta(x+d))}{\alpha_0(t)\exp(\beta x)}=\exp(d\beta)=\exp(\beta)^d \]

NoteExemple

Estimons le modèle \(\alpha(t) = \alpha_0(t)\exp(\beta_{\text{CD4}} \times \text{CD4})\). On obtient alors \(\hat\beta_{\text{CD4}}=-0{,}00406\), soit : \[ \widehat{RR}_{\text{CD4}}=\exp(-0{,}00406)\approx 0{,}996 \] Une cellule CD4 supplémentaire multiplie le risque d’avoir la toxoplasmose par 0,996 : c’est un RR très proche de 1, simplement parce qu’une cellule est une unité minuscule à l’échelle des CD4 ! Il est plus parlant d’exprimer le RR pour (par exemple) 50 cellules : \[ \widehat{RR}_{\text{CD4}}(50)=\exp(50\times(-0{,}00406))=\exp(-0{,}203)\approx 0{,}82 \] Chaque augmentation de 50 CD4/mm\(^3\) diminue le risque de toxoplasmose de 18 % : plus le patient est immunodéprimé, plus son risque est élevé, ce qui est cohérent avec la clinique.

Pour 100 cellules, \(\widehat{RR}_{\text{CD4}}(100)=\exp(100\times(-0{,}00406))=0{,}82^2\approx 0{,}67\), soit une diminution de 33 % (et non de \(2\times 18=36\) % : les effets se multiplient, ils ne s’additionnent pas !).

Comme pour l’OR, le RR pour 50 cellules est souvent plus lisible que le RR par unité lorsque ce dernier est très proche de 1 ou que l’unité est très petite (1 cellule CD4, ce n’est pas grand chose…)

Avertissement

Dire que \(\exp(\beta)\) est le même “quelle que soit la valeur de départ” est une hypothèse du modèle, appelée log-linéarité. Ici, on suppose que passer de 0 à 50 CD4 a le même effet relatif que passer de 300 à 350 CD4. Elle n’est pas toujours vérifiée (cf. section 6.2).

5.3.2 Avec plusieurs variables explicatives (RR ajustés)

Au lieu de prendre les variables isolément, on peut les combiner dans un même modèle. Comme vu dans les chapitres précédents, on ajoute une variable, soit car on s’intéresse à son effet, soit pour contrôler un potentiel biais de confusion.

Avec \(X=(X_1,\dots,X_p)^\top\) et \(\beta=(\beta_1,\dots,\beta_p)^\top\), le modèle s’écrit : \[ \alpha(t\mid X)=\alpha_0(t)\exp(\beta_1X_1+\dots+\beta_pX_p) \]

Dans ce cas, \(RR_k=\exp(\beta_k)\) est le risque relatif associé à la variable \(X_k\) ajusté sur toutes les autres variables du modèle : on compare deux sujets qui ne diffèrent que par la valeur de \(X_k\). On utilise l’expression “toutes choses égales par ailleurs” pour désigner cet ajustement.

NoteExemple

Introduisons les trois variables des exemples précédents, en même temps. Ici, les CD4 sont exprimées par tranche de 50 cellules. On estime alors le modèle suivant : \[ \alpha(t)=\alpha_0(t)\exp\bigl(\beta_1\,\mathbf{1}(\text{femme})+\beta_2\,\mathbf{1}(35\leq\text{âge}<45)+\beta_3\,\mathbf{1}(\text{âge}\geq 45)+\beta_4\,\text{CD4}/50\bigr) \]

Tableau 2: Modèle de Cox associant le sexe, l’âge et le nombre de CD4 au risque de toxoplasmose.
Terme \(\beta\) Erreur standard z p-valeur RR IC 95 % RR
Sexe (femme vs homme) 0,026 0,293 0,09 0,930 1,03 [0,58 ; 1,82]
Âge (réf. moins de 35 ans) 0,89
 35 à 44 ans 0,057 0,254 0,22 0,824 1,06 [0,64 ; 1,74]
 45 ans ou plus 0,137 0,284 0,48 0,629 1,15 [0,66 ; 2,00]
CD4 (+50 cellules/mm\(^3\)) -0,201 0,071 -2,85 0,004 0,82 [0,71 ; 0,94]

Toutes choses égales par ailleurs, le risque de toxoplasmose semble diminuer de 18 % pour chaque augmentation de 50 CD4/mm\(^3\), mais augmenter de …

  • … 3 % chez les femmes par rapport aux hommes ;
  • … 6 % les 35-44 ans et 15 % plus élevé chez les \(\ge 45\) ans par rapport aux \(< 35\) ans.

Il n’est pas rare de voir (donc de présenter) côte à côte les RR bruts (modèles univariés) et les RR ajustés (modèle multiple), pour illustrer l’effet de l’ajustement sur les estimations.

NoteExemple

Ici, par exemple, l’ajustement diminue les RR de l’âge.

Tableau 3: RR bruts et ajustés de toxoplasmose.
Variable Analyse univariée Analyse multivariée
RR brut [IC 95 %] p-valeur RR ajusté [IC 95 %] p-valeur
Sexe (femme vs homme) 0,98 [0,55 ; 1,73] 0,94 1,03 [0,58 ; 1,82] 0,93
Âge (réf. moins de 35 ans) 0,77 0,89
35 à 44 ans 1,11 [0,68 ; 1,82] 0,68 1,06 [0,64 ; 1,74] 0,82
45 ans ou plus 1,23 [0,71 ; 2,14] 0,47 1,15 [0,66 ; 2,00] 0,63
CD4 (+50 cellules/mm3) 0,82 [0,71 ; 0,94] 0,004 0,82 [0,71 ; 0,94] 0,004

Une explication serait que les patients les plus âgés ont en moyenne moins de CD4, et un faible nombre de CD4 augmente le risque. Une partie de l’excès de risque “brut” des plus âgés pourrait donc s’expliquer par leurs CD4 !

Enfin, on peut aussi comparer deux profils qui diffèrent sur plusieurs variables : il suffit d’additionner les “contributions” dans l’exponentielle.

NoteExemple

Comparons une femme de 45 ans ou plus ayant 50 CD4/mm\(^3\) (sujet \(i\)) à un homme de moins de 35 ans ayant 200 CD4/mm\(^3\) (sujet \(j\)). Les CD4 étant exprimés par tranche de 50 cellules, la variable CD4/50 vaut \(50/50=1\) pour la femme et \(200/50=4\) pour l’homme. Écrivons le risque instantané de chacun d’après le modèle : \[ \begin{aligned} \alpha(t\mid X_i) &= \alpha_0(t)\exp\bigl(\hat\beta_{\text{femme}}\times 1+\hat\beta_{35\text{-}44}\times 0+\hat\beta_{\geq 45}\times 1+\hat\beta_{\text{CD4}}\times 1\bigr)\\ &= \alpha_0(t)\exp\bigl(0{,}026+0{,}137-0{,}201\bigr)=\alpha_0(t)\exp(-0{,}038)\\[0.5em] \alpha(t\mid X_j) &= \alpha_0(t)\exp\bigl(\hat\beta_{\text{femme}}\times 0+\hat\beta_{35\text{-}44}\times 0+\hat\beta_{\geq 45}\times 0+\hat\beta_{\text{CD4}}\times 4\bigr)\\ &= \alpha_0(t)\exp\bigl(-0{,}201\times 4\bigr)=\alpha_0(t)\exp(-0{,}804) \end{aligned} \] Le RR est le rapport de ces deux risques. Le risque de base se simplifie, et le rapport de deux exponentielles est l’exponentielle de la différence : \[ \widehat{RR} =\frac{\alpha(t\mid X_i)}{\alpha(t\mid X_j)} =\frac{\cancel{\alpha_0(t)}\exp(-0{,}038)}{\cancel{\alpha_0(t)}\exp(-0{,}804)} =\exp\bigl(-0{,}038-(-0{,}804)\bigr) =\exp(0{,}766)\approx 2{,}15 \] À chaque instant du suivi, le risque de toxoplasmose de cette femme est estimé un peu plus de deux fois plus élevé que celui de cet homme.

On peut aussi décomposer ce résultat en multipliant les RR de chaque différence de profil : \[ \widehat{RR} =\underbrace{\exp(0{,}026)}_{\text{femme vs homme}} \times\underbrace{\exp(0{,}137)}_{\geq 45 \text{ vs } <35 \text{ ans}} \times\underbrace{\exp\bigl(-0{,}201\times(1-4)\bigr)}_{50 \text{ vs } 200 \text{ CD4}} \approx 1{,}026\times 1{,}147\times 1{,}828\approx 2{,}15 \] Cette décomposition montre que l’essentiel de l’écart vient des CD4 : à lui seul, l’écart de 150 cellules multiplie le risque par 1,83, alors que le sexe et l’âge n’y contribuent que pour un facteur 1,03 et 1,15.

5.4 Inférence statistique

Dans les sorties précédentes figuraient des colonnes “Erreur standard”, “z”, “p-valeur” et “IC 95 %”. Ces quantités sont construites à partir des coefficients estimés \(\hat\beta\) et leur erreur-type \(\widehat{SE}(\hat\beta)\), via le “maximum de vraisemblance partielle”. Bien que les détails dépassent le cadre de ce cours, vous pouvez retenir que

  • seuls l’ordre des évènements et la composition des effectifs à risque comptent (et non les temps d’évènements). Ainsi, si l’on remplaçait les délais 1, 2, 3 mois par 0,1, 0,5, 1 mois sans changer leur ordre, on obtiendrait exactement le même \(\hat\beta\) ;
  • les sujets censurés ne présentent pas d’évènement, mais qu’ils contribuent quand même à l’estimation des \(\beta\) ;
  • le risque de base \(\alpha_0(t)\) n’influe pas sur l’estimation des coefficients \(\beta\).

5.4.1 Intervalle de confiance

Comme dans les chapitres précédents, l’intervalle de confiance s’écrit sous la forme “estimation \(\pm\) marge d’erreur”. Pour le coefficient \(\beta\), cela donne : \[ \text{IC}_{95\%}(\beta)=\left[\hat{\beta}-1{,}96\times SE(\hat{\beta})\, ; \,\hat{\beta}+1{,}96\times SE(\hat{\beta}) \right] \]

Pour obtenir l’intervalle de confiance du RR, il suffit d’exponentier les bornes : \[ \text{IC}_{95\%}(RR)=\left[\exp\left(\hat{\beta}-1{,}96\times SE(\hat{\beta})\right) ; \exp\left(\hat{\beta}+1{,}96\times SE(\hat{\beta})\right) \right] \]

L’intervalle est symétrique autour de \(\hat\beta\), mais pas autour du RR : la borne haute est plus éloignée du RR que la borne basse. Ceci est normal et correspond à l’effet de l’exponentielle !

NoteExemple

Reprenons le modèle multiple précédent (Tableau 2). Pour les CD4, \(\hat\beta=-0{,}201\) et \(SE(\hat\beta)=0{,}071\). On a : \[ -0{,}201 \pm 1{,}96 \times 0{,}071 = [-0{,}340\, ; \,-0{,}062] \] d’où, en exponentiant : \[ \text{IC}_{95\%}(RR) = \bigl[\exp(-0{,}340)\, ; \,\exp(-0{,}062)\bigr] \approx [0{,}71\, ; \,0{,}94] \] Cet intervalle ne contient pas 1, donc on peut conclure à une association significative entre le nombre de CD4 et le risque de toxoplasmose au seuil de 5 % (à sexe et âge égaux).

Pour le sexe, \(\hat\beta=0{,}026\) et \(SE(\hat\beta)=0{,}293\), d’où \(0{,}026\pm1{,}96\times0{,}293=[-0{,}548\, ; \,0{,}600]\) et \(\text{IC}_{95\%}(RR)=[0{,}58\, ; \,1{,}82]\). L’intervalle contient la valeur 1, donc on ne met pas en évidence d’association entre le sexe et le risque de toxoplasmose.

Chose bonne à savoir : pour un RR associé à \(d\) unités d’une variable quantitative, il suffit de multiplier le coefficient et son erreur standard par \(d\).

NoteExemple

Dans le modèle univarié des CD4 (par cellule), \(\hat\beta=-0{,}00406\) et \(SE(\hat\beta)=0{,}00140\). Pour 50 cellules : \[ \begin{aligned} \text{IC}_{95\%}\bigl(RR_{\text{CD4}}(50)\bigr) &=\bigl[\exp\bigl(50\times(-0{,}00406-1{,}96\times0{,}00140)\bigr)\, ; \,\exp\bigl(50\times(-0{,}00406+1{,}96\times0{,}00140)\bigr)\bigr]\\ &\approx[0{,}71\, ; \,0{,}94] \end{aligned} \] C’est exactement l’intervalle que l’on obtient en introduisant directement la variable “CD4/50” dans le modèle (Tableau 2) !

Note

La largeur de l’intervalle dépend surtout du nombre d’évènements, bien plus que du nombre de sujets : plus il y a d’évènements, plus l’intervalle est étroit !

5.4.2 Tests d’hypothèses

Comme pour les modèles de régression linéaire et logistique, on peut se demander si les variables explicatives sont associées à la survenue de l’évènement, c’est-à-dire si leurs coefficients \(\beta\) sont différents de \(0\) dans la population.

Note

Tester \(H_0 : \beta_k = 0\) revient à tester \(H_0 : RR_k = 1\), c’est-à-dire l’absence d’association entre \(X_k\) et le risque instantané, puisque \(\exp(0)=1\). La remarque vaut aussi pour plusieurs coefficients à la fois.

On distingue deux situations :

  • tester un seul coefficient : on utilise le plus souvent le test de Wald ;
  • tester un sous-ensemble (càd, un ou plus) de coefficients (p. ex., une variable qualitative à plusieurs modalités) : on utilise le test du rapport de vraisemblance (partielle).

On peut quand même utiliser le test du rapport de vraisemblance pour ne tester qu’un seul coefficient

5.4.3 Test de Wald

On teste : \[ H_0:\beta_k=0 \quad \text{vs.} \quad H_1:\beta_k\neq0 \] La statistique de test est la même qu’en régression logistique : \[ Z=\frac{\hat\beta_k}{SE(\hat\beta_k)} \underset{H_0}{\overset{approx.}{\sim}} \mathcal{N}(0,1) \; \text{ ou, de façon équivalente, } \; Z^2 \underset{H_0}{\overset{approx.}{\sim}} \chi^2_1 \] Au seuil de 5 %, on rejette \(H_0\) si \(|Z|>1{,}96\), ou si \(Z^2>3{,}84\).

C’est ce test qui donne les colonnes “z” et “p-valeur” des sorties.

Pour un test bilatéral au seuil de 5 %, regarder si l’IC 95 % du RR contient 1 conduit à la même conclusion que le test de Wald.

NoteExemple

Reprenons le modèle multiple (Tableau 2). Pour les CD4, \(\hat\beta=-0{,}201\) et \(SE(\hat\beta)=0{,}071\) : \[ Z=\frac{-0{,}201}{0{,}071}\approx -2{,}85 \; \text{soit} \; Z^2\approx 8{,}13>3{,}84 \] On rejette \(H_0\) : à sexe et âge égaux, le nombre de CD4 est associé au risque instantané de toxoplasmose. Pour le sexe, \(Z=0{,}026/0{,}293\approx 0{,}09\), d’où \(|Z|<1{,}96\) : on ne met pas en évidence d’association entre le sexe et la toxoplasmose. Les p-valeurs du tableau confirment nos conclusions.

5.4.4 Test du rapport de vraisemblances (LRT)

On compare deux modèles de Cox emboîtés, ajustés sur les mêmes sujets et avec la même échelle de temps :

  • un modèle réduit \(\mathcal M_R\) avec \(p_R\) coefficients de régression ;
  • un modèle complet \(\mathcal M_C\) comprenant les mêmes termes explicatifs, plus un bloc de \(q=p_C-p_R\) coefficients supplémentaires.

Sans perte de généralité, on peut supposer que ces \(q\) coefficients supplémentaires sont les derniers du modèle complet. Les deux modèles s’écrivent alors : \[ \begin{aligned} \mathcal{M}_C \; : \; \alpha_i(t) &= \alpha_0(t)\exp\left( \beta_1 X_{i1} + \beta_2 X_{i2} + \cdots + \beta_{p_R} X_{i,p_R} + \underbrace{\beta_{p_R+1} X_{i,p_R+1} + \cdots + \beta_{p_C} X_{i,p_C}}_{\text{$q=p_C-p_R$ coefficients testés}} \right) \\ \mathcal{M}_R \; : \; \alpha_i(t) &= \alpha_0(t)\exp\left( \beta_1 X_{i1} + \beta_2 X_{i2} + \cdots + \beta_{p_R} X_{i,p_R} \right) \end{aligned} \]

On teste alors : \[ H_0:\beta_{p_R+1}=\cdots=\beta_{p_C}=0 \quad \text{vs.} \quad H_1:\text{au moins un de ces coefficients est non nul} \] Sous \(H_0\), tous les RR associés à ces coefficients valent \(1\), conditionnellement aux autres covariables. La comparaison repose sur les vraisemblances partielles des deux modèles.

En notant \(\ell_R\) et \(\ell_C\) les log-vraisemblances partielles des deux modèles, la statistique du test du rapport de vraisemblance est : \[ LRT=-2\times(\ell_R-\ell_C) = (-2 \times \ell_R) - (- 2 \times \ell_C) \underset{H_0}{\overset{asympt.}{\sim}} \chi^2_q \] On rejette \(H_0\) si \(LRT\) dépasse la valeur critique de la loi du \(\chi^2\) à \(q\) degrés de liberté (3,84 pour \(q=1\), 5,99 pour \(q=2\), 7,81 pour \(q=3\), etc.). Si \(LRT\) dépasse la valeur seuil à 5 % de la loi du \(\chi^2\) à \(q\) degrés de liberté, on rejette \(H_0\).

Avertissement
  • Pour le test du rapport des vraisemblances, il faut s’assurer que les deux modèles que l’on compare sont estimés sur exactement le même échantillon, la même méthode d’estimation… bref, les mêmes conditions !
  • Ainsi, attention aux données manquantes : si une variable ajoutée a des valeurs manquantes, le modèle complet est estimé sur moins de sujets que le modèle réduit, et la comparaison n’a plus de sens.
NoteExemple

Dans les données Toxo, l’âge est représenté par deux coefficients (\(\beta_{35\text{-}44}\) et \(\beta_{\geq 45}\)). Pour tester s’il est associé au risque de toxoplasmose une fois le sexe et les CD4 pris en compte, on compare :

  • le modèle réduit \(\mathcal M_R\) : sexe + CD4 ;
  • le modèle complet \(\mathcal M_C\) : sexe + âge + CD4 (Tableau 2).

On teste alors \(H_0:\beta_{35\text{-}44}=\beta_{\geq 45}=0\), avec \(q=2\).

Tableau 4: Tests du rapport de vraisemblance dans les données Toxo : test global du modèle complet, puis test de l’âge.
Modèle Variables \(-2\ell\) Comparaison \(q\) Test du rapport de vraisemblance (LRT) p-valeur
Modèle nul Aucune 1 036,312
\(\mathcal M_R\) Sexe + CD4 1 026,376
\(\mathcal M_C\) Sexe + âge + CD4 1 026,141 \(\mathcal M_C\) vs modèle nul 4 10,17 0,038
\(\mathcal M_C\) vs \(\mathcal M_R\) 2 0,23 0,89

Test global. En comparant le modèle complet au modèle nul (sans aucune variable), on a : \(LRT=1\,036{,}312-1\,026{,}141\approx 10{,}17\), à 4 degrés de liberté. La valeur critique de la loi du \(\chi^2\) à 4 degrés de liberté est \(9{,}49\). Comme \(10{,}17>9{,}49\), on rejette \(H_0\) (\(p=0{,}038\)) : le modèle complet est significativement meilleur que le modèle nul (il existe donc au moins une association entre les variables explicatives et le risque de toxoplasmose).

Test de l’âge. On compare \(\mathcal M_C\) à \(\mathcal M_R\) : \[ LRT=1\,026{,}376-1\,026{,}141\approx 0{,}23<5{,}99 \] On ne rejette pas \(H_0\) (\(p=0{,}89\)) : une fois le sexe et les CD4 pris en compte, les données ne mettent pas en évidence d’association entre l’âge et le risque de toxoplasmose. C’est cette p-valeur qui figurait sur la ligne “Âge” du Tableau 2.

Les références

Cox, David R. 1972. « Regression Models and Life-Tables ». Journal of the Royal Statistical Society: Series B (Methodological) 34 (2): 187‑202. https://doi.org/10.1111/j.2517-6161.1972.tb00899.x.