민감도, 특이도, 위양성, 위음성 쉽게 이해하기 (진단성능 #1)

암측정기계를 개발중이라고 합시다. 성능을 검증하기 위해, 암환자 100명과 정상인 100명을 모집했습니다. AI를 이용하여 진단을 수행했고 결과는 아래와 같았습니다. 진단 결과가 양성이면 암으로 판정된 것입니다. 

 

	환자	정상	합계
양성	80	30	110
음성	20	70	90
합계	100	100	200

 

맞게 진단한 결과에 표시해봅시다. 

 

	환자	정상	합계
양성	80 (good)	30	110
음성	20	70 (good)	90
합계	100	100	200

 

환자는 양성으로 진단하고 정상인은 음성으로 진단하는 AI를 만들어야 합니다. 옳게 진단할 확률이 높은 AI가 좋은 AI입니다. 

 

민감도와 특이도는 진단 기계의 성능을 평가하는 과정에서 자연스럽게 도출되는 개념입니다. 어떤 기준으로 진단기계를 평가하면 될까요? 아래 두가지 지표를 생각해볼 수 있습니다. 좋은 진단기계라면 아래 두 지표가 높을 것입니다. 

 

- 환자를 양성으로 판정하는 비율

- 정상인을 음성으로 판정하는 비율

 

첫번째가 민감도이고, 두번째가 특이도입니다. 

 

- 민감도 : 환자를 양성으로 판정하는 비율

- 특이도 : 정상인을 음성으로 판정하는 비율

 

위 예시에서 민감도는 얼마일까요? 100명의 환자를 진단하면 80명을 양성으로 판정합니다. 따라서 민감도는 80% 입니다. 나머지 20명은 병에 걸렸음에도 불구하고 음성이 나왔습니다. 오진을 한 것입니다. 병에 걸렸는데도 음성이라고 나오는 경우를 거짓음성(=위음성,false negative)라고 합니다. 거짓(위) 僞 입니다. 위 예시에서 위음성률은 20%가 됩니다. 민감도와 위음성률의 관계는 아래와 같습니다. 

 

위음성률 = 100% - 민감도

 

위 예시에서 특이도는 얼마일까요? 100명의 정상인을 진단하면 70명을 음성으로 판정합니다. 따라서 특이도는 70% 입니다. 나머지 30명은 정상임에도 불구하고 양성이 나왔습니다. 병에 걸리지 않았는데도 양성이 나오는 경우를 거짓양성(=위양성,false positive)라고 합니다. 위 예시에서 위양성률은 30%가 됩니다. 특이도와 위양성률의 관계는 아래와 같습니다.

 

위양성률 = 100% - 특이도

 

민감도는 참양성의 비율이므로 참양성률, 특이도는 참음성률이라고 부를 수도 있습니다. 

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각 용어의 영단어를 알아봅시다. 

 

민감도 : Sensitivity

특이도 : Specificity

위양성률 : False positive rate

위음성률 : False negative rate

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이번에는 위에서 배운 용어들을 표에 나타내봅시다. 참양성,참음성,위양성,위음성을 표에 나타내면 아래와 같습니다. 

 

	환자	정상	합계
양성	참양성	위양성	참양성 + 위양성
음성	위음성	참음성	위음성 + 참양성
합계	참양성+위음성	위양성+참음성	참양성+참음성 위양성+위음성

 

영어로 나타내면 아래와 같습니다. 괄호 안은 약어입니다. 

 

	환자	정상	합계
양성	True Positive (TP)	False Positive (FP)	TP+FP
음성	False Negative (FN)	True Negative (TN)	FN+TN
합계	TP+FN	FP+TN	TP+FP+FN+TN

 

민감도, 특이도, 위양성률,위음성률을 약어를 이용한 수식으로 나타내면 아래와 같습니다. 

 

$\mathrm{Sensitivity}=\frac{TP}{TP+FN}$

$\mathrm{Specificity}=\frac{FP}{FP+TN}$

$\mathrm{False \ positive\ rate}=\frac{FP}{FP+TN}$

$\mathrm{False \ negative \ rate}=\frac{FN}{TP+FN}$