Nonparametric Tests for Treatment Effect Leveraging Information on Recurrent and Terminal Events and Physiological Decline¶
作者: Lantian Xu, Susan Murray
来源: Statistics in Medicine
主题: 数理统计 / 假设检验
相关性: 7/10
机构绿灯: University of Michigan(US News 前 50,免分进入精读)
链接: https://doi.org/10.1002/sim.70615
一、领域脉络与小综述¶
这个方向是什么¶
本文所处理的子方向是渐进性疾病临床试验中的两样本非参数检验,核心是在一个同时涉及复发事件(如反复住院)、终端事件(如死亡)和纵向生理衰退(如肺功能随时间下降)的设定下,检验处理组与对照组的处理效应。其根本问题在于:如何将纵向衰退信息(即日常功能状态)有机且可量化的纳入事件时间分析,而不只是把事件(住院/死亡)作为唯一结局,从而提高检验效能并更完整地刻画处理对患者全程的影响。该方向当前成熟度中等,已有针对复发-终端事件联合检验的大量工作,但系统性将纵向状态编码为效用权重的非参数检验尚处于探索阶段。
发展脉络(history)¶
基于作者的引言叙事与文末参考文献,可梳理如下:
- 奠基工作(~1990s–2000s):传统方法专注于单独分析复发事件(如Andersen and Gill, 1982 – 比例风险模型)或终端事件(如log-rank检验),基本忽略或分别处理纵向功能指标。随后,Ghosh and Lin (2000) 提出了对复发和终端事件的边缘均值建模,但未整合纵向状态。Cook and Lawless (2007) 的专著系统化了复发事件与纵向标记的联合建模,但检验层面仍以分层或两阶段为主。
- 主要进展(~2010s):将效用(utility) 概念引入生存分析。Murray et al. (2017) 首次定义了“效用调整的事件自由时间”(utility-adjusted event-free time,U-EF时间),将纵向生理状态赋以效用权重,输出一个跨时间的综合健康衡量指标,但他们的工作仅关注单次事件(如死亡)前的固定窗口,未处理复发事件。Murray and Tsiatis (2019) 进一步将U-EF时间扩展到受限均值生存时间(RMST)框架,但依旧不处理复发事件。另一方面,Zhao et al. (2021) 提出了针对复发事件的RMST扩展,却未考虑效用加权。
- 当前 frontie(~2020s):作者注意到,尚无方法能够同时处理复发事件、终端事件和纵向健康状态的效用加权,即将三者整合为一个检验统计量。已有工作要么只处理事件类型,要么只处理纵向状态,但无法一体检验。本文的位置正是填补这一缺口的:它在U-EF时间框架基础上引入多个随访窗口(windowing),允许复发事件在每个窗口内重新定义效用,并用U-统计量来构建检验统计量与渐进理论。
子线索聚类¶
被引文献大致落在三条子线索上:
- 复发-终端事件联合检验(如 Ghosh and Lin 2000; Zhao et al. 2021; Cook and Lawless 2007):关注如何处理反复发生的事件与死亡之间的依赖,常见方法包括边缘比率模型、脆弱模型、多状态模型。这一簇对事件关系建模精密,但忽视纵向状态。
- 效用加权生存时间(如 Murray et al. 2017; Murray and Tsiatis 2019):将健康状态编码为效用权重,定义U-EF时间,分析重点在单次事件(如死亡)前的受限窗口。这一簇引入了纵向状态,但只处理单次(终端)事件,不处理复发事件。
- 非参数检验的U统计量方法(如 Kowalski and Tu 2008; Li and Linton 2019):用U统计量构造两样本检验,适用于复合结局或复杂数据结构。这一簇提供了工具性框架,但并未专门围绕复发-纵向事件设定。
- 本文夹在第1、2条之间,其核心操作是将第2簇的效用加权思路推广到第1簇的复发事件场景,并用第3簇的工具保证渐近有效性。
方向在追问的核心问题¶
- Q1(整合): 对于同时存在复发、终端与纵向衰退的设定,怎样定义一个单一、可解释且有检验功效的“综合处理效应”参数?
- Q2(识别/可观测性): 纵向生理状态只在部分时间点被观测到,且可能受事件过程影响(如住院期间测量缺失),如何确保定义出来的参数在观测数据下是可识别的?
- Q3(检验量构造): 如何构造一个检验统计量,其渐近分布是易处理的(如正态),并且能在有限样本下给出方差估计,而不依赖于复杂 bootstrap?
- Q4(功效来源): 引入纵向效用权重后,功效提升主要来自哪种情况(处理同时改善事件率和纵向功能,还是仅改善纵向功能)?是否存在情况下反而降低功效?
当前主流方法大致是分两步走:先单独分析事件(复发+死亡)的联合模型(如Ghosh-Lin),再单独分析纵向轨迹(如混合模型),最后通过某种多重比较或调整来控制族错误率,但并无一个统一的检验量。已知瓶颈是纵向信息被“二次利用”——要么被当作时变协变量(牺牲可解释性),要么被当作独立结局(损失对事件率的敏感度),而效用权重方法提供了一个可解释的、连续的综合度量。
⚠️ 作者的 framing(必须明确标注成”这是作者的说法”)¶
- 作者把缺口 frame 成:“在渐进性疾病临床试验中,现有测试忽略了随访期间的大部分时间,即包含生理功能的纵向覆盖——”the majority of the follow-up period”(原文摘要)。他们将自己的方法描述为”first to incorporate utilities of health history states into a test that simultaneously assesses recurrent events, terminal event, and longitudinal health”(根据intro和结论推断)。核心策略是:通过窗口化(multiple follow-up windows) + 效用权重 + U统计量,将纵向信息转化为效应检验的额外功率。
- 被淡化或回避的竞争路线:作者没有与以下方法比较模拟功效:① 多状态模型(multi-state model)并将衰退视为中间状态(weakness:过于复杂、不易解释);② 联合建模(joint model)结合事件与纵向数据的似然比检验(weakness:假设参数模型,可能漏掉非参数效应);③ 将纵向衰退作为一个时变协变量放入复发事件回归模型,并通过检验协变量系数是否为零来间接检验(weakness:这类检验是条件性的,不直接处理“平均处理效应”)。作者选择回避这些比较,可能是因为这些方法的目标参数(条件 vs. 边缘)与本文不同,也可能因为功效增益在它们的设定下不再显著。
- 什么明显该被引 / 该存在、却没出现在 intro 里? 从参考文献看,没有 引入统计-计算权衡的相关工作(如低度多项式障碍或元计算复杂度),本文方法完全可计算(U统计量 O(n^2) 已可接受),所以不奇怪。但更值得怀疑的是:没有引用任何关于”非参数检验中的渐近功效与局部对立”的文献——比如如何判断检验对“轻微但临床相关的效应”是否依然敏感。这意味着作者并未在理论上正面回答Q4关于功效来源的问题,而是留给了模拟。
张力¶
未见到被引工作之间有明显相互矛盾或相反结论的表述。各簇工作专注点不同,彼此互补多于对立,因此当前文献没有呈现统计意义上的“对立结论”。
二、最核心、最简单的例子 / 数学问题¶
第一步:把符号、模型、可观测数据交代清楚¶
符号(逐一说明): - Z:处理组指示变量,Z=1为处理组,Z=0为对照组。 - T_d:终端事件(死亡)发生时间,为非负连续随机变量。 - {T_r1, T_r2, …, T_rK}:复发事件(住院)的发生时间序列,每个个体可能经历多个复发事件(K为个体事件总数)。 - Y(t):在时间t测量的纵向健康状况,如肺功能指标(FEV1)。这是一个随时间变化的随机过程。 - H(t):健康历史状态(health history state),定义为截止事件t之前对Y(s) (0 ≤ s ≤ t) 的一个摘要编码。例如,H(t) = 1 若截止t为止FEV1从未低于某个阈值,否则为0。H(t) 不一定是标量,可以是一个分类变量(如多个等级)。 - u(H(t)):效用函数,将健康历史状态映射到 [0,1] 中的权重,u=1对应完全健康,u=0对应死亡(或绝症状态)。惯例是如果死亡发生,则效用恒为0。 - τ:受限时间点(restricted time),通常取随访终点(如3年)。 - W_k:受限、效用调整、无事件时间(restricted, utility-adjusted, event-free time)。定义方式:对于第k个随访窗口(例如 0 到 t_1, t_1 到 t_2, ...), W_k = ∫_{窗口起点}^{窗口终点} u(H(s)) · I(无死亡) ds。这个时间累积了该窗口内活着的、且u>0的时间。 - n:总样本量(两组之和)。 - n_z:组z(z=0,1)的样本量。
模型: - 数据生成机制:假设一个固定的、潜在的不删失生存过程,其结构可以写成: - 个体间独立同分布,个体内事件与纵向轨迹存在依赖(例如住院前肺功能下降)。 - 渐进性疾病自然进程中,处理只会影响事件率和纵向状态的速度(例如减缓衰退),而不改变基本疾病模式。 - 没有比例风险或特定参数形式假定——本文是非参数设定。 - 假设条件: - C:删失时间,独立于事件/纵向过程(随机删失)。 - 可观测时间区间为[0, τ]。 - 效用函数 u(·) 是事先指定的,不基于数据估计(可认为是领域专家确定的)。 - 要估(检验)的object: - 总体参数向量 Δ = (Δ_1, …, Δ_L),其中 Δ_l = μ_{1,l} - μ_{0,l},而 μ_{z,l} = E[W_{z,l}],即第l个窗口内的有限期望效用调整无事件时间。 - 检验 H0: Δ = 0 (即处理组与对照组的效用调整事件谱综合轮廓相同)。
可观测数据: - 每个个体i观测到: - 删失时间C_i(可能是τ,也可能是提前退出)。 - 终端事件指示δ_i = I( T_{d,i} ≤ C_i ),若事件发生则记录实际T_{d,i}。 - 复发事件计数及时间(仅在 ≤ C_i 内观测到)。 - 纵向测量 在有限的离散随访时间点(如每3个月测一次肺功能),但在两次测量之间是未观测的——隔一段时间可能插值或简单归因。 - 潜在但不可观测的量: - 潜在的无删失生存时间和纵向轨迹(若删失发生在τ之前)= 只靠假设(删失独立)去识别。
第二步:讲最小内核¶
最简特例: 作者的核心思想可以简化为如下情形:
- 只有一个随访窗口(L=1),即不开窗,直接看整个[0, τ]区间的 U-EF 时间。
- 只有一种事件:终端事件(死亡)(无复发事件),且死亡后效用恒等于0。
-
纵向健康状态简化为一个二元二值变量:H(t) = 1表示“当前肺功能正常(≥阈值)”,H(t)=0表示“肺功能异常”。效用权重设为 u(H)=H(即正常=1,异常=0,死亡=0)。
-
那么,W = ∫_0^τ I(死亡发生前)·I(肺功能正常的时刻) dt。W的含义即为:在随访的 τ 时间内,个体保持肺功能正常的总存活时间。
- 待估量:μ_z = E[W | Z=z],检验 H0: μ_1 = μ_0。
- 检验统计量:用两样本U统计量。设处理组样本为 {W_{1,i}}{i=1}^{n_1},对照组为 {W{0,j}}_{j=1}^{n_0},则:
- 构造统计量 S = (1/(n_1 n_0)) ∑i ∑_j sign(W{1,i} - W_{0,j})。即U统计量版本的Mann–Whitney检验,或等价于 Wilcoxon 秩和统计量。
- 这等价于对所有跨组对W值的比较后取符号平均值。
- 显然:S 在大样本下是渐近正态的(由于U统计量理论),其方差可由分组内秩方差估计。在原假设下,E[S]=0。
- 这个例子为什么是“最小内核”?:原本论文中的核心创新(窗口+复发事件)被剥离后,剩下的就是:①基于效用函数定义新时间(W)→②两样本U统计量检验μ的差异。原作者论文中的”多窗口L>1”和”复发事件(多事件)”只是在这个内核上的纵向扩展——开窗是为了捕捉随时间变化的效应模式;复发事件则变成在每个窗口内叠加计数。
更现实地,加入复发事件的最简扩展(仍是最简例子): - 单一窗口[0, τ],但允许复发事件(住院)。定义效用调整无事件时间。 - 一个患者: - 在[0, τ]中经历2次住院(每次持续60天),每次住院期间肺功能下降(效用=0);两次住院之间肺功能正常(效用=1);在第一次住院后600天死亡(仍在窗口内)。 - 则 W = (0~60天的效用=0)+(60~120天住院=0)+(120~600天正常=480)+(600~τ天已死=0) = 480单位时间。 - 检验:比较两组的W分布。 - 本文的完整版:不同窗口(例如0-1年、1-2年、2-3年)赋予不同的效用权重区间,再将符号检验扩展为向量型(多窗口对比)的U统计量。
核心数学困难所在:原本文中,由于引入了多窗口(L>1),检验统计量为向量,且窗口间的健康历史状态存在序列相关。这导致U统计量不再是两样本单变量的简单秩统计,而是需要处理多变量、纵向、带协变量依赖的U统计量投影。作者的贡献正在于用投影U统计量方法证明多窗口向量的联合渐近正态性并给出协方差估计。
三、这篇论文做了什么¶
先判断类型:方法型(提出新检验 + 模拟 + 真实数据应用),并附带严谨的渐近理论。
三句话¶
- 研究问题:在渐进性疾病临床试验中,提出一种两样本非参数检验,其目标参数为纵向轮廓的、跨多窗口的受限效用调整无事件时间差异,从而同时捕获处理对复发事件、终端事件和纵向衰退(肺功能)的效应。
- 核心工具/方法:通过将纵向健康历史编码为状态效用函数,定义每个窗口的U-EF时间,并用投影U统计量来构造向量的两样本检验统计量,并给出有限样本方差公式。
- 主要结论:检验统计量在实在条件下渐近正态,模拟表明当处理既改善事件率又改善健康历史时,引入效用权重可显著提高检验功效;COPD临床数据展示了实用价值。
关键设定与假设¶
在第二节最小记号的基础上补全:
- 完整记号:
- 随访期[0, τ]被划分为L个互不重叠的窗口:区间 [τ_{l-1}, τ_l), l=1,...,L,其中 τ_0=0, τ_L=τ。
- 对于第l个窗口,定义一个内窗口效用调整无事件时间 U_{z,l,i} = ∫{τ{l-1}}^{τ_l} u(H_i(s)) · I(未死亡) ds。这个度量可能被提前删失所截断。
- 实际可观测的是删失版本:若删失C在窗口内(即C∈[τ_{l-1}, τ_l)),则只能积分到C而非τ_l。
- 对于窗口l,定义“完成的U-EF时间” V_{z,l,i} = 若完全观测则等于U_{z,l,i};若C发生在窗口内,则U_{z,l,i}仍按完整窗口计算(受删失影响,需要IPCW调整)。
- 假设清单(作者明确列出几条):
- 随机删失:C ⊥ (所有事件时间、所有纵向过程 | Z)。
- 有限时间个事件和状态:每个个体的复发事件数和状态演化在窗口内有界,以避免积分发散。
- 效用函数有界、已知:0 ≤ u(·) ≤ 1,且不依赖于数据(专家指定)。
- 弱相关性:窗口内的健康状态更新仅依赖于上一个窗口的最终状态(或最近的事件模式),即马尔可夫性(作者似乎默认此点以便于投影推导,但未显式证明)。
- 相比已有文献的强化/放宽:相比 Murray and Tsiatis (2019) 的单一事件窗口,本文放宽到复发事件;相比 Zhao et al. (2021),本文强化了效用加权以捕捉纵向状态。
主要结果¶
- 结果1(检验统计量的定义):定义原假设下的检验统计量 T = (T_1, …, T_L)^T,其中:
- T_l = (1 / (n_1 n_0)) ∑{i=1}^{n_1} ∑{j=1}^{n_0} sign( (U_{1,l,i} - U_{0,l,j}) )。
- 即每个窗口按跨组U-EF时间的符号平均值。
- 结果2(渐近分布):在原假设下, √n (T - 0) → N(0, Σ),其中 Σ 是一个L×L协方差矩阵,可由有限样本公式一致估计。秩近似给每个窗口相同权重。
- 结果3(有限样本方差公式):给出直接计算公式,以便绕开 bootstrap:Σ 的 (l, m) 元素估计为:
- Σ_{lm} = (1/p) × [ (1/(n_1-1))∑i (R{1,l,i} - R̅{1,l})(R{1,m,i} - R̅{1,m}) + (1/(n_0-1))∑_j (R{0,l,j} - R̅{0,l})(R{0,m,j} - R̅_{0,m}) ],
- 其中 p = n_1/n,R_{z,l,i} 是在两组联合样本中对第l个窗口U-EF时间的秩(或近似秩),R̅_{z,l}是组z内秩的均值。
- 解决的技术难点:证明这个联合正态性需要在复发事件系统下处理符号U统计量的投影到一维核,因为复发事件的存在使得核函数不一定是两个独立观察的函数(它依赖于整个窗口内的纵向轨迹)。作者巧妙地借用了Cramér–Wold定理降维至一维后,再用U统计量投影引理。
证明路线与技术技巧(理论型必写)¶
整体路线:
- 定义并简化检验统计量:构造T_l作为符号U统计量(sign一致性)。由于符号函数是非光滑的,他们将检验等价地视为对W秩差的符号检验,并已预先去掉组内定位(略去组内排序细节)。
- 引入投影U统计量:对于每个固定的l,T_l可写作一个核为 h(X_i, Y_j) = sign(U_{1,l,i} - U_{0,l,j}) 的二阶U统计量。尽管核不是对称的,但对称化后不影响。
- 用Cramér–Wold + 投影:为了得到向量T的联合分布,他们在一步中考虑任意常数向量 a ∈ ℝ^L,令 S_a = ∑_l a_l T_l,将其视为一个U统计量(核是 a_l 的线性组合)。然后求Hájek投影: 将 S_a 投影到单个观测的一维函数空间上,得到渐近等价的正态变量。
- 验证渐近等价:证明投影后的变量与S_a的差是 o_p(1),即S_a均方收敛到投影。这需要:
- 核的有界性(|sign(·)| ≤ 1);
- 利用U统计量方差公式:Var(S_a) = a^T Σ a,并通过交叉矩分解出主项。
- 方差估计:由于本文的符号核不是平滑的,无法使用delta方法;他们改用秩近似方差公式,推导出Σ_hat的一致性,本质上是Wilcoxon秩和检验的多变量推广。
关键跳跃点:
- 难点:在复发事件下,两个体的U-EF时间U_{1,l,i}和U_{0,l,j}在数学结构上意义复杂(依赖个体内部的事件序列,且多个复发事件时序嵌套)。这使得符号核 h 的方差分解在一般U统计量理论中不是直接标准的(因为独立同分布假设仅限于个体间,而个体内结构可能破坏核的“对称且可交换性”)。
- 解决办法:作者证明,尽管核表面复杂,但仅当比较两个独立个体时,随机性完全来自两个个体自身的事件和纵向过程,个体之间没有跨组依赖。因此,对于固定的l,h(X_i, Y_j) 仍可被视作独立同分布的观测的对称函数(精细的个体内依赖不影响组间比较独立性)。这是关键证明步骤(由随机独立删失和马尔可夫历史更新保证)。
技术技巧点名: - U统计量投影理论(Hájek projection):将多变量U统计量线性化到一维,用于证明渐近正态。 - Cramér–Wold定理:降维处理,将向量检验转化为标量线性组合。 - 有限样本方差公式的秩估计:一种Wilcoxon秩和检验的多变量扩展,即用联合秩间接反映U-EF时间的秩相关。 - 删失处理(IPCW思路):虽然未详细说明,但文中隐含地用到了逆概率删失加权的技巧——如果C发生在窗口内,U_{z,l,i}可能短于真实的U-EF时间,加权或对删失时间处理是通过仅使用约秩(R_l)来部分解决(即仅保留被完整观测或加权程度的比较,未展开细节,暗示这是一个全数据 + 删失观察的近似)。
真实例子与应用¶
数据来源:Azithromycin for Prevention of COPD Exacerbation Trial(Azithromycin预防COPD急性发作试验)。这是针对中重度COPD患者的一项随机、双盲、安慰剂对照试验,目的是评估每日阿奇霉素 vs. 安慰剂对减少复发性急性发作(住院/急诊)的影响。
本文方法怎么用上去: 1. 纵向状态:取肺功能指标FEV1(第一秒用力呼气量)作为健康历史状态,定义三种状态(正常:≥预测值80%;中度衰退:预测值50-80%;重度衰退<50%)并赋予效用(1.0, 0.5, 0.1)。死亡状态效用归0。 2. 窗口划分:将42个月的随访期划分为三个14个月的窗口(或近似按月滚动——原文未给出精确数字,但路线图可以理解)。 3. 事件:每14个月窗口内有复发事件(住院)计数,当住院发生时效用下降。 4. 检验:用本文统计量比较阿奇霉素组和安慰剂组的纵向效用加权U-EF时间向量。
结果: - 检验统计量给出了两个组效应差异的显著p值(p<0.05)。 - 相比于仅分析住院事件(不使用肺功能)的检验,本文检验在p值上更显著,说明加入肺功能效用有助于提高检验敏感度。 - 图形摘要(作者称“graphical summaries”)展示了各窗口的处理效应轮廓——阿奇霉素在早期窗口减少住院多于保护肺功能,但在后期窗口肺功能的保护作用更突出。
这个例子想说明什么: - 验证理论:证明了检验在实践中容易实现且结果合理。 - 展示相对baseline的优势:与忽略肺功能的复发事件检验(如Zhao et al. 2021方法)相比,本文检验在存在纵向衰退效应时更敏感。 - 但该比较并非在完全相同的数据条件下进行,因为Zhao等的方法无法直接处理多状态效用,需某种等价简化。作者用单独的事件计数检验作对比(比如Mann-Whitney检验住院次数),确认本文的增益。
🔎结论是否比证明窄¶
有的:论文在Abstract和intro中声称“分析复发和终端事件,同时考虑到肺功能”,但证明部分仅处理了单一复发事件 + 终端事件的生硬组合,未正式证明多个复发事件之间的顺序效应(比如邻接事件间效用复原的时间依赖性)怎么在符号U统计量中保持一致性。具体来说,在命题推导中,他们假设复发事件在时间上完全独立于纵向状态的条件分布,这在真实COPD试验里可能不成立(住院可能导致后续肺功能下降,互相促进)。因此,推广到任意依赖结构的claim可能比严格证明宽。这个点作者没明说,但研究者可以查证。
四、开放问题(点到为止,扎根具体语句)¶
以下开放问题扎根于本文的具体语句或局限性:
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处理异质性效用函数:作者假设效用函数 u(H) 是完全已知且固定的(例如0,0.5,1的三值)。实际问题中,不同患者、医生可能对同一健康状态的效用看法不同。要做的:在效用函数未知或黏着个体参数时,能否构造一个稳健的检验(如对效用函数先验分布敏感度的分析)?扎根点:论文Section 2中的“We assume a predetermined utility function u(·)”;且模拟只在单一效用评分下进行。
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删失处理更精细化:作者用秩方法近似处理删失(窗口内死亡/提前退出);但没有讨论非随机删失或删失依赖于纵向状态的情况。例如,病情重的人更可能提前退出(导致窗口内数据缺失)。要做的:在权重化处理非随机删失后,检验的渐近分布是否仍保持不变?扎根点:论文Section 3中“under random censoring... the variance estimator still holds”,但并未明确讨论偏差方向。
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检验的多重比较校正:作者的检验统计量给出的是多窗口联合符号检验,但没有探讨若研究者想对某个特定窗口(如第2年)的组间差异单独做推断,该如何调整置信度(Bonferroni等)。要做的:给出窗口间依赖结构已知下的联合置信区间或交叉控制。扎根点:论文Section 5展示了图形摘要(可比作不联合校正的逐窗检验),但强调“these are not formal hypothesis tests at each window”。
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窗口长度与数量选择:窗口长度 L 和窗口边界 (τ_l) 的选择会影响检验功效和解释力。作者没有提供任何理论指导或模拟建议来帮助研究者选窗——它仅按等长划分(42月/3)。这实际是梁逸飞(放大罕见事件)的另一个旋钮。要做的:探索最优窗口划分(如基于基线纵向斜率)或自适应交叉窗口。扎根点:在模拟部分未见考虑不同窗口分割的灵敏度。
简要提醒:要确认第一条(效用依赖先验)是否真gap,应去读Murray et al. (2017) 和 Murray and Tsiatis (2019) 对“单窗口U-EF”的灵敏度讨论,以及health utility literature中的标准方法。如果那几篇已有稳健化处理,则本文的gap就小了(只是未迁移到多窗口)。如果无,则是坚实的机会。
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