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【StataNow 新功能】含两个中介变量的因果中介分析

教育装备采购网 2025-12-15 09:14 围观422次

mediate命令现支持对两个中介变量(无论顺序或并行)进行因果中介分析。可估算自然间接效应、自然直接效应及控制直接效应,获取中介变量特异性效应,并对顺序中介变量执行敏感性分析。此功能属于StataNow™项目。

因果中介分析不于估计因果效应,更深入探究效应的产生机制:某项干预措施对结果的影响是否通过其他变量实现?

在Stata 18中,我们引入mediate命令用于拟合单中介变量的因果中介模型。如今该命令可扩展至双中介变量模型,支持因果顺序型(序列)或非因果顺序型(并行)中介关系。无论哪种情形,均可估算总效应并将其分解为直接效应与间接效应。

让我们看看它如何运作

平行中介分析

假设我们希望探究人类关节炎是否影响其健康相关生活质量。若确有影响,我们还需厘清该效应的因果路径。具体而言,我们关注身体活动与抑郁情绪是否在此过程中起中介作用:关节炎是否通过降低身体活动进而削弱生活质量?抑或通过加剧抑郁症状导致生活质量下降?

为评估这些潜在中介效应,我们采用虚构数据集,其中包含健康相关生活质量结果变量(hrqol)、中介变量身体活动(physact)和抑郁(depress),以及二元处理变量关节炎(arthritis)。忽略潜在混杂变量后,可绘制因果图来呈现基本模型:


【StataNow 新功能】含两个中介变量的因果中介分析


存在三条值得关注的因果路径:关节炎直接影响健康相关生活质量(hrqol)的直接路径;关节炎经由身体活动(physact)间接影响健康相关生活质量的间接路径;以及关节炎经由抑郁(depress)间接影响健康相关生活质量的间接路径。我们的目标是将关节炎对健康相关生活质量的总因果效应分解为这三条路径特异性成分。由于不存在同时经过两个中介变量的因果路径,我们将这些中介变量称为平行中介。

从不包含协变量及交互作用的简化模型出发,我们构建如下因果中介模型:


. mediate (hrqol) (depress) (physact) (arthritis)

Iteration 0:  EE criterion = 1.537e-27  
Iteration 1:  EE criterion = 8.303e-30  

Causal mediation analysis                                Number of obs = 2,000

Mediation type: Parallel
Mediator 1:     physact
Mediator 2:     depress
Treatment type: Binary
                               Robust                                           
       hrqol     Coefficient  std. err.      z    P>|z|     [95% conf. interval]
     
NDE                                                                             
   arthritis                                                                    
(Yes vs No)        -1.71165   .1496673   -11.44   0.000    -2.004993   -1.418308
NIE1                                                                            
   arthritis                                                                    
(Yes vs No)       -1.814969   .1817366    -9.99   0.000    -2.171166   -1.458772
NIE2                                                                            
   arthritis                                                                    
(Yes vs No)       -1.252368   .2507925    -4.99   0.000    -1.743912   -.7608239
TE                                                                              
   arthritis                                                                    
(Yes vs No)       -4.778988   .2912224   -16.41   0.000    -5.349773   -4.208202


在我们(任意设定的)健康相关生活质量量表上,估计的总效应(TE)为-4.8分。该效应的解释方式与平均治疗效应相同:若人群中所有个体均患有关节炎,则该人群的平均健康相关生活质量评分将比无人患有关节炎时低5分。换言之,关节炎平均导致健康相关生活质量下降5分。其余估计值为自然间接效应(NIEs)和自然直接效应(NDE),它们揭示这5分差异中:多少归因于身体活动(NIE1),多少归因于抑郁(NIE2),以及多少既非身体活动也非抑郁症状所致(NDE)。NIE1估计值为−1.8,表明5分差异中近2分源于身体活动减少。关节炎通过抑郁对健康相关生活质量的间接效应(NIE2)为−1.3。NDE估计值表明5分差异中有1.7分源于身体活动和抑郁之外的机制。

包含交互作用

上述模型在某种程度上存在局限性,因为我们严格应用线性方程,未考虑处理变量与中介变量之间的交互作用。在单中介变量情况下,纳入处理-中介交互项将产生两组效应估计量——纯效应与总自然效应,从而导致总效应出现两种不同的分解方式。然而采用两个中介变量的平行中介设计时,将产生总计六种分解方式,且每个关注效应多可产生四个效应估计量。

在以下模型中,我们同时纳入交互项与协变量。鉴于年龄可能是治疗-结果关系及中介-结果关系的混杂因素,故在健康相关生活质量模型中纳入年龄变量。为使年龄对结果的影响随两个中介变量变化,我们采用因子变量符号包含交互项(c.depress#c.age c.physact#c.age)。为允许治疗-中介及中介-中介交互作用,我们指定了tinteraction和minteraction选项。


. mediate (hrqol age c.depress#c.age c.physact#c.age)
           (depress i.male)
    (physact i.male)
    (arthritis), tinteraction minteraction

Iteration 0:  EE criterion = 1.762e-25
Iteration 1:  EE criterion = 8.149e-30

Causal mediation analysis                                Number of obs = 2,000

Mediation type: Parallel
Mediator 1:     physact
Mediator 2:     depress
Treatment type: Binary
                               Robust                                           
       hrqol     Coefficient  std. err.      z    P>|z|     [95% conf. interval]
     
NDE                                                                             
          00       -2.93327   .0986156   -29.74   0.000    -3.126553   -2.739987
          10        -2.2664   .1321111   -17.16   0.000    -2.525333   -2.007467
          01       -3.13574   .1548724   -20.25   0.000    -3.439284   -2.832196
          11      -2.441183   .0633247   -38.55   0.000    -2.565297   -2.317068
NIE1                                                                            
          00      -2.559244   .2330217   -10.98   0.000    -3.015958   -2.102529
          10      -1.892373   .1842448   -10.27   0.000    -2.253486    -1.53126
          01      -2.596165   .2396821   -10.83   0.000    -3.065933   -2.126396
          11      -1.901607   .1889659   -10.06   0.000    -2.271974   -1.531241
NIE2                                                                            
          00      -.4994956   .0965284    -5.17   0.000    -.6886879   -.3103033
          10      -.7019653   .1137533    -6.17   0.000    -.9249177   -.4790128
          01      -.5364167   .0960709    -5.58   0.000    -.7247123   -.3481211
          11      -.7111994   .1138654    -6.25   0.000    -.9343716   -.4880273
TE                                                                              
   arthritis                                                                    
(Yes vs No)       -5.536843   .2526692   -21.91   0.000    -6.032065    -5.04162
Note: Outcome equation includes treatment–mediator interactions and
      mediator–mediator interaction.


我们现已拥有四种NDE和四种NIE!这些效应现以索引标识,例如NDE-00或NIE1-11。每种效应定义为两个潜在结果均值的差值,这些索引对应于潜在结果的反事实治疗水平。例如,编号为00的NDE估计值为−2.9,这是当两个中介变量均处于无治疗状态对应值(关节炎=0)时的自然直接效应。NDE效应值范围为−2.3至−3.1,而通过physact介导的NIE效应值范围为−1.9至−2.6,通过depress介导的NIE效应值范围为−0.5至−0.7。各类效应的变异程度取决于交互作用效应的大小。本例中虽存在变异,但我们仍发现通过physact介导的效应(NIE1)与直接效应(NDE)影响

序贯中介

在上述两个例子中,我们的因果模型设定为两个中介变量之间不存在因果关系。继续以生活质量数据为例,我们也可以假设身体活动导致抑郁程度降低。考虑到这种因果顺序,我们可以绘制包含从身体活动到抑郁额外路径的因果图:


【StataNow 新功能】含两个中介变量的因果中介分析


由于存在从一个中介变量到另一个中介变量的因果路径,我们将此模型称为序贯中介模型。现在有四个值得关注的路径特异性效应:一个仅通过身体活动中介,一个仅通过抑郁中介,一个同时通过身体活动和抑郁中介,还有一个既不通过身体活动也不通过抑郁中介。首先拟合该模型的简化版本(不含交互项)。我们通过指定序贯选项告知中介分析软件拟合序贯模型。通过设定从右(干预)到左(结果)的因果序列来标明中介变量的因果顺序。例如要指定身体活动影响抑郁,需输入:


. mediate (hrqol age) (depress i.male) (physact i.male) (arthritis), sequential


若需逆转因果顺序,则需指定


. mediate (hrqol age) (physact i.male) (depress i.male) (arthritis), sequential


与之前相同,该模型因未包含交互项而较为严格。为在结果方程中纳入处理变量与中介变量的交互作用,可指定交互选项:


. mediate (hrqol age) (depress i.male) (physact i.male) (arthritis), sequential tinteraction


在交互作用存在时估计所有路径特异效应会产生大量估计量,可通过更粗略的分解来简化——即将部分路径特异效应进行分组处理。例如,假设我们主要关注通过身体活动(physact)的间接效应。此时可将所有经抑郁(depress)传递的间接效应归为一类——本例中即关节炎→抑郁→健康相关生活质量(hrqol)路径与关节炎→身体活动→抑郁→健康相关生活质量路径,从而仅聚焦纯粹通过身体活动传递的间接效应。通过指定mseffects(physact)选项可估算这些中介变量特异性效应:


. mediate (hrqol age) (depress i.male) (physact i.male) (arthritis), sequential tinteraction mseffects(physact)


可控直接效应

临床实践者可能希望开展针对某一因果机制的干预研究,旨在改善关节炎患者的生活质量。为此,我们可提出如下问题:若能增加个体身体活动量,能否缩小关节炎患者与健康人群的生活质量差距?为解答此类问题,可估算控制直接效应(CDE),该指标在特定人群中介变量值固定时,反映干预措施对结局的直接影响。首先评估中介变量身体活动量(physact)和抑郁程度(depress)均值下的直接效应:


. estat cde, mvalue( (mean) physact depress)

Controlled direct effect                                 Number of obs = 2,000

Mediator variables: physact depress
Mediator values:
  physact =     2.247 (mean)
  depress = 6.2440063 (mean)

                            Delta-method                                        
                     CDE      std. err.      z    P>|z|     [95% conf. interval]
     
   arthritis                                                                    
(Yes vs No)       -2.603496   .0609992   -42.68   0.000    -2.723052    -2.48394


估计的临床临床等效差异(CDE)为-2.6,这表明若将人群中所有人的介导变量维持在平均值,则生活质量下降2.6分可直接归因于关节炎。若能将每月身体活动量提升至5小时甚至8小时会如何?为解答此问题,我们保持介导变量抑郁处于均值水平,并分别评估身体活动量为5小时和8小时时的CDE值:


. estat cde, mvalue( (mean) depress physact=(5 8) )

Controlled direct effect                                 Number of obs = 2,000

Mediator variables: physact depress
Mediator values:
  1._at: physact =         5
         depress = 6.2440063 (mean)
  2._at: physact =         8
         depress = 6.2440063 (mean)

                            Delta-method                                        
                     CDE      std. err.      z    P>|z|     [95% conf. interval]
     
   arthritis@                                                                   
         _at                                                                    
(Yes vs No)                                                                     
          1        -2.73777   .1385674   -19.76   0.000    -3.009357   -2.466183
(Yes vs No)                                                                     
          2       -2.884092   .2578233   -11.19   0.000    -3.389416   -2.378767


结果表明,若人群中每个人都进行5小时体育活动(且抑郁评分处于平均水平),关节炎导致的生活质量差异仍约为−2.7,与上述体育活动维持在平均值2.247时的结果差异不大。同样地,当体育活动时间为8小时时,CDE值为−2.9。通过对比分析选项,我们既能获得两组数据的差异值,也能进行检验:


. estat cde, mvalue( (mean) depress physact=(5 8) ) contrast

Controlled direct effect                                 Number of obs = 2,000

Mediator variables: physact depress
Mediator values:
  1._at: physact =         5
         depress = 6.2440063 (mean)
  2._at: physact =         8
         depress = 6.2440063 (mean)

                            Delta-method                                        
                     CDE      std. err.      z    P>|z|     [95% conf. interval]
     
         _at#                                                                   
   arthritis                                                                    
   (2 vs 1)                                                                     
(Yes vs No)       -.1463215   .1259133    -1.16   0.245    -.3931072    .1004641


差异接近于零,这表明体育锻炼虽能提升生活质量,但对关节炎患者的改善效果并不显著。换言之,该干预措施对所有个体均有益处,却无法缩小关节炎患者与健康人群之间的生活质量差距。


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