Dual processing model for medical decision-making:
An extension to diagnostic testing
Appendix
Derivation of the testing thresholds
Considering the decision tree in Fig. 2 we have:
Decision Weight Outcome Utility
Valuation
Probability
π₯1
ππΌ,1
π₯1 πΌ = π
π(π₯1 ) = 0
πΎ
π₯2
ππΌ,2
π₯2 πΌ = π
π(π₯2 ) = ππΌ,4 β ππΌ,2
(1 β πΎ)
π₯1
ππΌπΌ,1
π₯1
(1 β πΎ)
π₯2
ππΌπΌ,2
π₯2
π
π₯
1
2
1
2
π
πΎ
π
ππΌπΌ
= ππΌπΌ,1
π
ππΌπΌ
= ππΌπΌ,2
1βπ
Note that under Type I processes, every outcome with non-zero probability is assigned
equal weight. Therefore, in the two alternative outcomes case each probability is
considered equal to 0.5 [12, 53]. The expected valuation of the decision to treat (Rx) is
computed as the summation of the valuations of each outcome:
πΎ
π(π
π₯) = (ππΌ,2 β ππΌ,4 ) + (1 β πΎ)[πππΌπΌ,1 + (1 β π)ππΌπΌ,2 ]
2
Decision Weight Outcome Utility
Valuation
Probability
π
πΎ
π₯3
ππΌ,3
π₯3 πΌ = π
π(π₯3 ) = ππΌ,1 β ππΌ,3
πΎ
π₯4
ππΌ,4
π₯4 πΌ = π
π(π₯4 ) = 0
(1 β πΎ)
π₯3
ππΌπΌ,3
π₯3
(1 β πΎ)
π₯4
ππΌπΌ,4
π₯4
πππ
π₯
π
1
2
1
2
ππΌπΌ
= ππΌπΌ,3
π
ππΌπΌ
= ππΌπΌ,4
1βπ
The expected valuation of the decision not to treat (NoRx) is computed as the
summation of the valuations of each outcome:
1
π(πππ
π₯) =
Decision
π
πΎ
(π β ππΌ,1 ) + (1 β πΎ)[πππΌπΌ,3 + (1 β π)ππΌπΌ,4 ]
2 πΌ,3
Weight
Outcome
Utility
Valuation
Probability
πΎ
π₯1π
ππΌ,1 β π»πΌ,π
π₯1ππΌ = π
π(π₯1π ) = βπ»πΌ,π
πΎ
π₯2π
ππΌ,2 β π»πΌ,π
π₯2ππΌ = π
π(π₯2π ) = ππΌ,2 β ππΌ,4 β π»πΌ,π
πΎ
π₯3π
ππΌ,3 β π»πΌ,π
π₯3ππΌ = π
π(π₯3π ) = ππΌ,3 β ππΌ,1 β π»πΌ,π
πΎ
π₯4π
ππΌ,4 β π»πΌ,π
π₯4ππΌ = π
π(π₯4π ) = βπ»πΌ,π
(1 β πΎ)
π₯1π
ππΌπΌ,1 β π»πΌπΌ,π
π₯1ππΌπΌ = ππΌπΌ,1 β π»πΌπΌ,π
(1 β πΎ)
π₯2π
ππΌπΌ,2 β π»πΌπΌ,π
π₯2ππΌπΌ = ππΌπΌ,2 β π»πΌπΌ,π
(1 β πΎ)
π₯3π
ππΌπΌ,3 β π»πΌπΌ,π
π₯3ππΌπΌ = ππΌπΌ,3 β π»πΌπΌ,π
(1 β πΎ)
π₯4π
ππΌπΌ,4 β π»πΌπΌ,π
π₯4ππΌπΌ = ππΌπΌ,4 β π»πΌπΌ,π
1
4
1
4
1
4
1
4
π
π
π
π
π
ππ
π
(1 β π)(1 β ππ )
π
π(1 β π)
π
(1 β π)ππ
Note that under Type I processes, every outcome with non-zero probability is assigned
equal weight. Therefore, in the four alternative outcomes case each probability is
considered equal to 0.25 [12, 53]. The expected valuation of the decision to test (T) is
computed as the summation of the valuations for each outcome:
πΎ
π(π) = (ππΌ,2 β ππΌ,4 + ππΌ,3 β ππΌ,1 )
4
+ (1 β πΎ)[ππππΌπΌ,1 + (1 β π)(1 β ππ )ππΌπΌ,2 + π(1 β π)ππΌπΌ,3 + (1 β π)ππ ππΌπΌ,4 ]
β (πΎπ»πΌ,π + (1 β πΎ)π»πΌπΌ,π )
Thresholds
We define the benefits and harms under type 1 and 2 as follows: π΅πΌ = ππΌ,1 β ππΌ,3, π»πΌ =
ππΌ,4 β ππΌ,2 and π΅πΌπΌ = ππΌπΌ,1 β ππΌπΌ,3, π»πΌπΌ = ππΌπΌ,4 β ππΌπΌ,2. We assume that and π»πΌ , π»πΌπΌ > 0
Testing threshold
We set π(πππ
π₯) = π(π), which results in:
πΎ
πΎ
(ππΌ,3 β ππΌ,1 ) + (1 β πΎ)[πππΌπΌ,3 + (1 β π)ππΌπΌ,4 ] = (ππΌ,2 β ππΌ,4 + ππΌ,3 β ππΌ,1 )
2
4
2
+(1 β πΎ)[ππππΌπΌ,1 + (1 β π)(1 β ππ )ππΌπΌ,2 + π(1 β π)ππΌπΌ,3 + (1 β π)ππ ππΌπΌ,4 ]
β (πΎπ»πΌ,π + (1 β πΎ)π»πΌπΌ,π )
πΎ
(π» β π΅πΌ ) + (1 β πΎ)[πππΌπΌ,3 + (1 β π)ππΌπΌ,4 ] + (πΎπ»πΌ,π + (1 β πΎ)π»πΌπΌ,π )
4 πΌ
= (1 β πΎ)[ππππΌπΌ,1 + (1 β π)(1 β ππ )ππΌπΌ,2 + π(1 β π)ππΌπΌ,3 + (1 β π)ππ ππΌπΌ,4 ]
πΎ
(1 β πΎ)(1 β ππ )π»πΌπΌ + (1 β πΎ)π»πΌπΌπ + (π»πΌ β π΅πΌ ) + πΎπ»πΌ,π = (1 β πΎ)π[ππ΅πΌπΌ + (1 β ππ )π»πΌπΌ ]
4
(1 β ππ )π»πΌπΌ + π»πΌπΌ,π
ππ΅πΌπΌ + (1 β ππ )π»πΌπΌ
+
(π»πΌ β π΅πΌ )
πΎ
1
πΎπ»πΌ,π
+
=π
4(1 β πΎ) ππ΅πΌπΌ + (1 β ππ )π»πΌπΌ (1 β πΎ) ππ΅πΌπΌ + (1 β ππ )π»πΌπΌ
The formula for the threshold between withholding the treatment and testing becomes:
1 π»
1 + 1 β π π»πΌπΌ,π
πΎ
π΅πΌ β π»πΌ
1
πΎπ»πΌ,π
π
πΌπΌ
ππ‘π‘ =
β
+
π π΅
4(1 β πΎ) ππ΅πΌπΌ + (1 β ππ )π»πΌπΌ (1 β πΎ) ππ΅πΌπΌ + (1 β ππ )π»πΌπΌ
1 + 1 β π π»πΌπΌ
π πΌπΌ
1 π»
1 + 1 β π π»πΌπΌ,π
1
π»πΌ β π΅πΌ
πΎπ»πΌ,π
π
πΌπΌ
ππ‘π‘ =
+
(πΎ
+4
)
π π΅
π π΅
(1 β ππ )π»πΌπΌ
1 + 1 β π π»πΌπΌ
4(1 β πΎ) (1 + 1 β π π»πΌπΌ ) (1 β ππ )π»πΌπΌ
π πΌπΌ
π πΌπΌ
1 π»πΌπΌ,π
1 β ππ π»πΌπΌ
πΎ
π»πΌ
π΅πΌ
π»πΌ,π
ππ‘π‘ =
1+
( (1 β ) + 4
)
π π΅
1 π»πΌπΌ,π π»πΌπΌ
π»πΌ
π»πΌπΌ
1 + 1 β π π»πΌπΌ
4(1 β πΎ)(1 β ππ ) (1 + 1 β π π» )
π πΌπΌ [
]
π
πΌπΌ
1+
ππ‘π‘ = ππ‘π‘ (πΈππ) 1 +
[
πΎ
π»πΌ
π΅πΌ
π»πΌ,π
( (1 β ) + 4
)
1 π»
π»
π»πΌ
π»πΌπΌ
4(1 β πΎ)(1 β ππ ) (1 + 1 β π π»πΌπΌ,π ) πΌπΌ
]
π
πΌπΌ
To constrain the values of ππ‘π‘ β [0,1], we modify the ππ‘π‘ formula such as:
ππ‘π‘ = min {ππ‘π‘,πΈππ 1
[
+
πΎ
π»πΌ
π΅πΌ
π»πΌ,π
(1 β ) + 4
) , 1} , πππ πΎ
1 π»
π»
π»πΌ
π»πΌπΌ
4(1 β πΎ)(1 β ππ ) (1 + 1 β π π»πΌπΌ,π ) πΌπΌ
]
π
πΌπΌ
(
β [0,1)
where ππ‘π‘,πΈππ β [0,1] is the EUT based testing threshold.
3
Treatment threshold
We set π(π
π₯) = π(π) which results in:
πΎ
πΎ
(ππΌ,2 β ππΌ,4 ) + (1 β πΎ)[πππΌπΌ,1 + (1 β π)ππΌπΌ,2 ] = (ππΌ,2 β ππΌ,4 + ππΌ,3 β ππΌ,1 )
2
4
+(1 β πΎ)[ππππΌπΌ,1 + (1 β π)(1 β ππ )ππΌπΌ,2 + π(1 β π)ππΌπΌ,3 + (1 β π)ππ ππΌπΌ,4 ]
β (πΎπ»πΌ,π + (1 β πΎ)π»πΌπΌ,π )
πΎ
(π΅ β π»πΌ ) + (πΎπ»πΌ,π + (1 β πΎ)π»πΌπΌ,π )
4 πΌ
= (1 β πΎ)[βπ(1 β π)π΅πΌπΌ β (1 β π)ππ ππΌπΌ,2 + (1 β π)ππ ππΌπΌ,4 ]
π[(1 β π)π΅πΌπΌ + ππ π»πΌπΌ ] = ππ π»πΌπΌ β
πππ₯ =
ππ π»πΌπΌ β π»πΌπΌ,π
ππ π»π·
((1 β π)π΅πΌπΌ + ππ π»πΌπΌ )
ππ π»πΌπΌ
πππ₯
+
(πΎπ»πΌπ + (1 β πΎ)π»πΌπΌ,π )
πΎ
(π΅πΌ β π»πΌ ) β
(1 β πΎ)
4(1 β πΎ)
(π»πΌ β π΅πΌ )
πΎ
π»πΌ,π
(
β4
)
(1 β π)π΅πΌπΌ + ππ π»πΌπΌ
ππ π»πΌπΌ
ππ π»πΌπΌ
4(1 β πΎ) (
)
ππ π»πΌπΌ
1π»
1 β π π»πΌπΌ,π
πΎ
π»πΌ
π΅πΌ
π»πΌ,π
π
πΌπΌ
=
1+
( (1 β ) β 4
)
1βππ΅
1π»
π»
π»πΌ
π»πΌπΌ
1 + π π»πΌπΌ
4(1 β πΎ)ππ (1 β π π»πΌπΌ,π ) πΌπΌ
π
πΌπΌ [
]
π
πΌπΌ
πππ₯ = πππ₯,πΈππ 1 +
[
πΎ
π»πΌ
π΅πΌ
π»πΌ,π
( (1 β ) β 4
)
1 π»πΌπΌ,π π»πΌπΌ
π»πΌ
π»πΌπΌ
4(1 β πΎ)ππ (1 β π π» )
]
π
πΌπΌ
To constrain the values of πππ₯ β [0,1], we modify the πππ₯ formula such as:
πππ₯ = min {πππ₯,πΈππ 1 +
[
πΎ
π»πΌ
π΅πΌ
π»πΌ,π
(1 β ) β 4
) , 1} , πππ πΎ
1 π»πΌπΌ,π π»πΌπΌ
π»πΌ
π»πΌπΌ
4(1 β πΎ)ππ (1 β π π» )
]
π
πΌπΌ
(
β [0,1)
where πππ₯,πΈππ β [0,1] is the EUT based testing threshold.
Special Case: πΎ = 1
When πΎ = 1, equations 1, 2, and 3 of the main manuscript are undefined. However, we
can still identify the optimal decision by re-deriving the equations for ππ‘ , ππ‘π‘ , and πππ₯
4
using πΎ = 1 in each strategy valuation function. The strategy with greatest valuation
(see Fig 3) corresponds to the optimal decision. The valuations for each strategy are:
1
1
π(πππ
π₯) = 2 (ππΌ,3 β ππΌ,1 ) = β 2 π΅πΌ
(A1)
πΎ
1
π(π
π₯) = 2 (ππΌ,2 β ππΌ,4 ) + (1 β πΎ)[πππΌπΌ,1 + (1 β π)ππΌπΌ,2 ] = β 2 π»πΌ
1
1
1
π(π) = 4 (ππΌ,2 β ππΌ,4 + ππΌ,3 β ππΌ,1 ) β π»πΌ,π = β 4 π»πΌ β 4 π΅πΌ β π»πΌ,π
(A2)
(A3)
1. For equation 1 of the main manuscript, which is used to decide between treating
and not treating, we choose to treat when (π΄2) β₯ (π΄1) β π(π
π₯) β₯ π(πππ
π₯) β
π΅πΌ β₯ π»πΌ otherwise we choose not to treat .
2. Similarly, for equation 2 of the main manuscript, which is used to decide between
testing and no treatment, we choose no treatment when (π΄1) β₯ (π΄3) β
π(πππ
π₯) β₯ π(π) β π΅πΌ β€ π»πΌ + 4π»πΌ,π . Conversely, we choose testing when π΅πΌ >
π»πΌ + 4π»πΌ,π .
3. Finally, for equation 3 of the main manuscript, which is used to decide between
treating and testing, we choose treatment when (π΄2) β₯ (π΄3) β π(π
π₯) β₯ π(π) β
π΅πΌ β₯ π»πΌ β 4π»πΌ,π and we choose testing otherwise.
Since π»πΌ β 4π»πΌ,π β€ π»πΌ + 4π»πΌ,π , items 2 and 3 above can be combined as follows:
ο·
From item 2, we choose testing when π΅πΌ > π»πΌ + 4π»πΌ,π . However, if π΅πΌ > π»πΌ + 4π»πΌ,π
then π΅πΌ > π»πΌ β 4π»πΌ,π . Therefore, from item 3 above we can skip testing and
choose treatment instead.
ο·
From item 3, we choose testing when π΅πΌ < π»πΌ β 4π»πΌ,π . However, if π΅πΌ < π»πΌ β 4π»πΌ,π
then π΅πΌ < π»πΌ + 4π»πΌ,π . Therefore, from item 2 above, we can skip testing and
choose not to treat instead.
Note that whenever π»πΌ β 4π»πΌ,π < π΅πΌ < π»πΌ + 4π»πΌ,π , we are indifferent between picking
treatment or no treatment, but since we donβt want to test, we can simply assume π»πΌ,π =
0 and base our decision on the comparison of π΅πΌ and π»πΌ .
To summarize, when πΎ = 1, we choose treatment when π΅πΌ β₯ π»πΌ β 4π»πΌ,π and choose no
treatment if π΅πΌ β€ π»πΌ + 4π»πΌ,π .
5
© Copyright 2025 Paperzz