Statistická inference v analýze přežití s použitím R a Shiny aplikace

Mgr. Veronika Horská, Ph.D.

Doctoral thesis

Statistical Inference in Survival Analysis Using R and Shiny Application

Abstract:

Různé obory lidské činnosti profitují díky rozhodování postaveném na základě výsledků statistického zpracování dat soustavně produkovaných moderní lidskou společností. V lékařství je významným zdrojem cenných dat databáze Slovenského artroplastického registru (SAR), která obsahuje informace o drtivé většině operací kyčelního a kolenního kloubu provedených na Slovensku od začátku roku 2003 do současnosti. Cíle SAR jsou zaměřeny na zlepšení péče a kvality života pacientů s kloubními náhradami na základě inference vyvozené z analýzy dat o provedených zákrocích. Pro analýzu dat z databáze SAR je vhodné využít metody analýzy přežití, které jsou oblíbenou volbou pro práci s medicínskými daty, neboť zvládají zpracovat data s cenzurami. Výsledky provedené analýzy je vhodné intuitivně a interaktivně prezentovat adresátům jejích výsledků. Tuto roli splňují moderní webové aplikace implementované v jazyce R a prostředí Shiny. Cílem předložené práce je navrhnout a vytvořit analýzu dat pocházejících databáze SAR s využitím vybraných metod analýzy přežití včetně srozumitelné prezentace jejích výsledků, které budou sloužit pro interní potřeby SAR. Práce se nejdříve zabývá metodami analýzy přežití, které jsou v její teoretické části přehledně zpracovány včetně jejich detailního odvození, a jsou tak přístupné širší skupině čtenářů se zájmem o analýzu přežití. Práce dále názorně popisuje metodiku tvorby webové aplikace v prostředí Shiny, jakožto i velký rozsah možností, které toto prostředí přináší. Dalším krokem výzkumu popsaného v práci je implementace funkcí pro analýzu přežití, které jsou třeba pro provedení navržené analýzy, a které ještě nejsou v rámci jazyka R k dispozici. Klíčovým výsledkem propojujícím všechny předchozí části práce je implementace a produkční nasazení interaktivní webové aplikace ShinySAR, která prezentuje výsledky navržené analýzy dat. ShinySAR obsahuje implementaci korektní vizualizace bodových odhadů, intervalů spolehlivosti a případně i pásu spolehlivosti funkce schodovitého či spojitého tvaru. Taková vizualizace dosud není k dispozici v prostředí softwaru R. Práce na závěr obsahuje podrobnou dokumentaci aplikace ShinySAR včetně sedmi příkladů ilustrujících způsoby využití aplikace jejími uživateli.

Abstract:

Various fields of human endeavour benefit from decision-making based on the results of the statistical processing of data continuously produced by modern society. In medicine, an important source of valuable data is the database of the Slovak Arthroplasty Register (SAR), which contains information on the vast majority of hip and knee surgeries performed in Slovakia from the beginning of 2003 to the present. SAR's objectives aim to improve the care for joint replacement patients and their quality of life based on inference derived from data analysis of the procedures performed. It is appropriate to use survival analysis methods, a popular choice for working with medical data, to analyse data from the SAR database, as they can handle censored data. The results of the performed analysis should be presented intuitively and interactively to their recipients. This role is fulfilled by modern web applications implemented in the R language and the Shiny environment. The presented thesis aims to design and develop an analysis of the data from the SAR database using selected survival analysis methods, along with a comprehensible presentation of its results, which will benefit the internal needs of SAR. The thesis first covers the survival analysis methods, which are clearly presented in its theoretical part, including their detailed derivation, making them accessible to a broader group of readers interested in survival analysis. The thesis then illustratively describes the methodology of creating a web application in the Shiny environment and the wide range of possibilities that this environment brings. The next step of the research described in the thesis is the implementation of the survival analysis functions needed to perform the designed analysis, which are not yet available within the R language. The key outcome linking all the previous parts of the thesis is the implementation and deployment in a production environment of an interactive web application, ShinySAR, which presents the results of the designed data analysis. ShinySAR includes the implementation of a correct visualisation of point estimates, confidence intervals, and possibly a confidence band of a stepped or a continuous function. Such a visualisation is not yet available in the R software environment. The thesis concludes with a detailed documentation of the ShinySAR application, including seven examples illustrating how its users can utilise it.

Keywords

analýza přežití, Coxův proporčně rizikový model, software R, Shiny, Slovenský artroplastický registr (SAR), survival analysis, Cox proportional hazard model, R software, The Slovak Arthroplasty Register (SAR)

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 30. 11. 2023

Thesis defence

• Date of defence: 31. 5. 2024
• Supervisor: doc. PaedDr. RNDr. Stanislav Katina, Ph.D.
• Reader: doc. Mgr. Zdeněk Valenta, M.Sc., doc. RNDr. Viktor Witkovský, CSc.

Masaryk University

Faculty of Science

Doctoral programme / field:
Mathematics and Statistics / Probability, Statistics and Mathematical Modelling