An Information Theory Approach to the Diagnosis of the Presence and Severity of Coronary Artery Disease

Summary

Non-invasive testing for the diagnosis of coronary artery disease (CAD) is usually based on the exercise ECG alone or combined with thallium scintigraphy, while coronary angiography generally represents the final work-up.

In this paper, we evaluate the relative merits of each diagnostic strategy in terms of its financial cost and of the reduction in diagnostic uncertainty. The uncertainty level before and after test is measured with the help of concepts used in information theory. The basic inputs of the program are:

1) the prior probability of CAD (p) and of its severity, obtained from a large data bank (CADENZA);

2) conditional probabilities of the presence and severity of CAD according to exercise ECG and thallium scintigraphy results obtained from the Louvain data bank; and

3) the financial cost of each technique as well as society’s willingness to pay (WTP) for a reduction in diagnostic uncertainty.

We present a graph showing the optimal strategy in terms of p and WTP. When information is sought only about the presence of CAD, arteriography is hardly ever the preferred test. However, once the severity of CAD also matters, it is the best procedure for values of p exceeding .75. Below this level, thallium scintigraphy is the most effective approach.

Die nicht-invasive Untersuchung bei der Diagnose Herzarterienerkrankung (CAD) basiert im allgemeinen ausschließlich auf dem Belastungs-EKG oder einer Kombination desselben mit Thallium-Szintigraphie, während eine Koronarangiographie den letzten Ausweg darstellt. In dieser Arbeit werden die relativen Vorzüge einer jeden diagnostischen Strategie im Hinblick auf ihre Kosten und auf die Verminderung der diagnostischen Unsicherheit ausgewertet. Der Unsicherheitspegel vor und nach der Untersuchung wird mit Hilfe von in der Informationstheorie angewandten Konzepten gemessen. Bei dem Programm werden eingegeben:

1. die A-priori-Wahrscheinlichkeit einer Herzarterienerkrankung CAD (p) und ihres Schweregrades, entnommen aus einer großen Datenbank (CADENZA);

2. bedingte Wahrscheinlichkeiten des Vorhandenseins und der Schwere einer Herzarterienerkrankung nach den Ergebnissen des Belastungs-EKGs und der Thallium-Szintigraphie;

3. die Kosten jedes Verfahrens sowie die Bereitschaft unserer Gesellschaft, für die Verminderung der diagnostischen Ungewißheit aufzukommen (WTP).

Wir bringen eine Grafik, welche die optimale Strategie unter dem Gesichtspunkt von p und WTP aufzeigt. Wenn lediglich über das Vorhandensein einer Herzarterienerkrankung Information gewünscht wird, ist eine Arteriographie fast nie die bevorzugte Untersuchungsmethode. Wenn jedoch auch der Schweregrad einer solchen Erkrankung eine Rolle spielt, ist dies das beste Verfahren für 0,75 überschreitende Werte von p. Unter diesem Pegel ist eine Thallium-Szintigraphie das wirksamste Vorgehen.

Key-Words:

Information Theory - Coronary Artery Disease - Diagnostic Tests - Cost-Effectiveness

Schlüssel-Wörter:

Informationstheorie - Herzarterienerkrankung - diagnostische Untersuchungen - Kosten-Nutzen

• REFERENCES

• 1 Alderson P. O, Adams D. F, McNeil B. J, Sanders R, Siegelman S. S, Finberg H. J, Hessel S. Y, Abrams H. L. Computed Tomography, Ultrasound and Scintigraphy of the Liver in Patients with Colon or Breast Carcinoma: a Prospective Comparison. Radiology 1983; 149: 225-230.
• 2 Detry J. M. Is Stress Testing Useful when Ischemic Heart Disease is Unlikely?. Eur. Heart J 1984; 5: 184-188.
• 3 Detry J. M. R, Robert A, Luwaert R, Rousseau M, Brasseur L, Melin J, Brohet C. Diagnostic Value of Computerized Exercise Testing in Men without Previous Myocardial Infarction. A Multivariate, Compartmental and Probabilistic Approach. Eur. Heart J. (In press)
• 4 Diamond G. A, Forrester J. S. Analysis of Probability as an Aid on the Clinical Diagnosis of Coronary Artery Disease. New Engl. J. Med 1979; 300: 1350-1358.
• 5 Diamond G, Forrester J. Cadenza II: Computer assisted Diagnosis and Evaluations of Coronary Artery Disease. Seattle: Cardiokinetics Inc; 1979
• 6 Diamond G. A, Hirsch M, Forrester J. S, Staniloff H. M, Vas R, Halpern S. W, Swan H. J. C. Application of Information Theory to Clinical Diagnostic Testing. The Electrocardiographic Stress Test. Circulation 1981; 63: 915-921.
• 7 Doubilet P. A Mathematical Approach to Interpretation and Selection of Diagnostic Tests. Med. Decis. Making 1983; 3: 177-195.
• 7a Doubilet P, McNeil B, Weinstein M. The Decision Concerning Angiography in Patients with Chest Pain – A Cost-Effectiveness Analysis. Med. Decis. Making. 1985. (in press)
• 8 Eeckhoudt L, Lebrun T, Sailly J. C. The Informative Content of Diagnostic Tests: an Economic Analysis. Soc. Sc. Med 1984; 18: 873-890.
• 9 Melin J. A, Piret L. J, Vanbutsele R. J. M, Rousseau M. F, Cosyns J, Brasseur L. A, Beckers C. H, Detry J. M. R. Diagnostic Value of Exercise Electrocardiography and Thallium Myocardial Scintigraphy in Patients without Previous Myocardial Infarction: a Bayesian Approach. Circulation 1981; 63: 1019-1024.
• 10 Melin J. A, Eeckhoudt L. R, Vanbutsele R. J. M, Robert A, Lebrun T, Sailly J. C, Brohet C, Detry J. M. R. Selection of Diagnostic Tests for Coronary Disease based on a Computer-aided Determination of their Information Content. Computers in Cardiology IEEE. 1984: 143-146.
• 11 Patterson R, Calvin E, Horowitz S, Gorlin R, Goldstein S. Bayesian Comparison of Cost-Effectiveness of Different Clinical Approaches to Diagnose Coronary Artery Disease. J. Amer. Coll. Cardiol 1984; 4: 278-289.
• 12 Pauker S, Kassirer J. Clinical Applications of Decisions Analysis: a Detailed Illustration. Sem. Nucl. Med 1978; 8: 324-335.
• 13 Rozanski A, Diamond G. A, Berman D, Forrester J. S, Morris D, Swan H. J. C. The Declining Specificity of Exercise Radionuclide Ventriculography. New. Engl. J. Med 1983; 309: 518-522.
• 14 Shannon C. E. A Mathematical Theory of Communication. Bell System Tech. J 1948; 27: 397-623.
• 15 Simoons M. L, Hugenholtz P. G. Estimation of the Probability of Exercise-Induced Ischemia by Quantitative E. C. G. Analysis. Circulation 1977; 56: 552-559.
• 16 Weinstein M, Stason W. Foundations of Cost-Effectiveness Analysis for Health and Medical Practices. New Engl. J. Med 1977; 296: 716-721.
• 17 Weinstein M. C, Fineberg H. V, El-stein A. S, Frazier H. S, Neuhauser D, Neutra R. R, McNeil B. Clinical Decision Analysis. Philadelphia: W. B. Saunders; 1980