1. 成组序贯设计(Group Sequential Design)

       临床试验中,提前因无效中止试验可以一定程度上降低受试者暴露于无效治疗中(特别是肿瘤试验),有效中止则可以加快试验进程,加速药物研发上市。提前终止考虑引入期中分析,期中分析可能引入偏移,因此需要在方案中提前计划并描述。
       特殊情况下,可能需要做一些非计划的期中分析,此时应在任何分析进行前撰写方案修订声明,描述期中分析的合理原因。
       涉及揭盲的期中分析,Data Monitoring Committee (DMC) 需在方案中计划并引入以保证试验的完整性。

期中分析涉及的问题-->

Error-inflation:
       同一试验涉及多终点、多组间、多次分析比较时,一类错误(在H0为真时拒绝H0)会一定程度膨胀,膨胀到1−(1−α )k,(实际上,因为期中分析的数据具有相关性,不能直接这样计算,错误膨胀会比这个公式小一点)。如进行5次期中分析,根据文献α=0.025会膨胀到0.071。
       *那是否可以用比如Bonfferroni的方法校正?也可以。比如2阶段设计,总α为0.05,则每次检验的α为0.05/2=0.025,双侧检验对应的界值为2.241(即Φ^{-1}(0.9875)),最终的一类错误为0.0428,小于0.05,没有穷尽alpha。我们希望找到一种方法可以穷尽α,增加试验成功的可能性。
       P_{H0}(|Z_1^*|≥2.241 or |Z_2^*|≥2.241)=0.0428<0.05
       *Repeated Significance Tests - Repeated Confidential Interval

Stopping Boundaries
       每个stage设置范围(L,U),超过这个范围则无效或有效中止,在范围内则继续试验。最终分析时,α、β需重叠(此时L=U),因为在最后一次分析时,只能拒绝或接受原假设。

  • 在同时考虑有效或者无效均提前中止的试验中,L和U的选择基于控制alpha和beta分别计算。进行期中分析时,对于申办方来说都希望因为有效而提前中止,这样药物可以尽早上市,而考虑无效终止标准时,有时并不希望过早因无效而提前中止,而希望能观察更多的受试者。因此设置futility boundary时,可以考虑降低界值,这样试验更不容易因无效中止,符合试验实际考虑。也就是说alpha和beta的界值并不一定要求对称

  • 假设一个试验同时考虑因efficacy或futility提前终止,因为考虑了futility boundary时的efficacy boundary会导致一类错误小于α,因此在前期试验设计时会放大一些efficacy boundary来保证最后的α=0.025。但在实际试验中,并不一定会完全按照早期的方案设计进行,如虽然达到了futility boundary,但DMC不打算提前因无效终止试验,此时因为efficacy boundary已经放大了,因此最终的α会大于0.025,导致α膨胀。需要再一次将efficacy boundary调高以控制一类错误,但此时此类试验进行时的调整时不允许的。因此目前监管部门建议使用Non-Binding boundary以有效控制α。

         - Binding Bounday:即结果达到futility boundary时就一定要终止试验,否则将无法控制一类错误(一类错误会放大)
    因为是通过Pr(a1<Z1<b1, a2<Z2<b2,…,Zn<an) 联合概率密度函数求解的 Low&upper boundary
           ∑_{k=1}^K P_{θ=0}(a_1<Z_1<b_1, …,a_{k-1}<Z_{k-1}<b_{k-1},Z_k>b_k)
         - Non-Binding Boundary(监管要求):结果达到futility boundary时,可以不终止试验。不会影响一类错误的控制。
          Pr(a1<Z1, a2<Z2,…,Zn<an) 联合概率密度函数求解
           ∑_{k=1}^K P_{θ=0}(Z_1<b_1, …,Z_{k-1}<b_{k-1},Z_k>b_k)
    Stopping boundaries图示:


    理论-->
    来源:Group Sequential and Confirmatory Adaptive Designs in Clinical Trials(by Gernot Wassmer &Werner Brannath)

对于常规的统计检验,原假设为:H_0: μ=μ_0
检验统计量为

对于成组序贯设计而言,整个研究的受试者被分成了K个部分,每个部分的受试者累积了前面各个阶段的受试者。
累计至第k个阶段时的均值(即前面各阶段的总和/总例数,nk为第k个阶段的受试者总数)为

每个阶段(非累积样本)的均值为
在K阶段(累积的)统计量可以写为:
而每个阶段(非累积样本)的统计量为
把上面的各个式子代入(1.2),就可以将累积的统计量转换为各阶段(非累积)样本统计量的累计和

各个阶段分析是累加的,统计量很明显是相关的(后面的阶段包含了前面阶段的样本量)。当期中分析次数较多时,可以用协方差表示。任意两次协方差可以表示为
方差为1, Var(Z_k^*=1)
各个阶段的统计量向量为Z^*=(Z_1^*, ......, Z_K^*)^T,为多元正态分布,对应的均值向量为V=(V_1, ......, V_K)^T


δ=(μ-μ_0)/σ, 为标准化的效应量(Standardized effect size)
由(1.4)得任意两个统计量的

知道了各个阶段分布和参数之后,通过计算H0或H1下的界值来控制α和β。

  • 一类错误
    假设R_K^*为拒绝域,当Z_K^*∈R_K^*为拒绝H0, C_K^*为接受域,Z_K^*∈C_K^*为接受H0
    一类错误的联合概率,即至少一次期中分析时拒绝H0的概率。

    如有两阶段成组序贯设计,两个阶段样本量等分,α=0.05,未进行校正,根据(1.4)式,
    两阶段协方差为:COV(Z_1^*,Z_2^*)=\sqrt\frac{n_1}{n_1+n_1}=1/\sqrt2
    一类错误为:
    P_{H_0}(|Z_1^*|≥1.96 \quad or \quad |Z_2^*|≥1.96)
    =P_{H_0}(|Z_1^*|≥1.96)+ P_{H_0}(|Z_1^*|<1.96 \quad and \quad |Z_2^*|≥1.96)=0.0831>0.05
    一类错误>0.05,因此需要进行校正。即考虑使
    P_{H_0}(|Z_1^*|≥a \quad or \quad |Z_2^*|≥b)=0.05,这里a和b可以是有很多组合,所以可以采用某些特定规则来确定a和b的取值,如后面提到的Pocock和OBF。假如直接采用Bonferroni法,最终的一类错误为
    P_{H_0}(|Z_1^*|≥2.241 \quad or \quad |Z_2^*|≥2.241) =0.0428,没有穷尽α。
    查找a/b使α等于或接近0.05,有不同的组合,a/b可以相等也可以不等。如:
    P_{H_0}(|Z_1^*|≥2.178\quad or \quad |Z_2^*|≥2.178) =0.05
    P_{H_0}(|Z_1^*|≥2.797\quad or \quad |Z_2^*|≥1.977) =0.05
    当期中分析数大于2时,界值的计算复杂,文献中提到采用Recursive Integration formula来进行计算。

  • 二类错误

    二类错误跟一类错误类似,但需要注意的是在H1下统计量对应的多元分布是不同的,此时μ=μ1,

参考:Group Sequential and Confirmatory Adaptive Designs in Clinical Trials(by Gernot Wassmer &Werner Brannath)

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