Biological Variation and Normal Reference Range

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VARIABILIDAD BIOLÓGICA

Se puede definir Variabilidad Biológica de un analito a los cambios de concentración que presenta, por razones fisiológicas, en determinadas condiciones.

Sin embargo, se debe  tener en cuenta que esas variaciones pueden ser de varios tipos, a saber:

1-     Variación biológica intraindividual:

Se refiere a los cambios que ocurren en un mismo paciente cuando éste se efectúa el estudio en las mismas condiciones. Por ejemplo a la misma hora del día, y en las mismas condiciones de preparación.

Así  se puede definir:

·      un valor medio ( que se define  como la concentración que caracteriza a la condición homeostática del analito en el paciente)  y
·      una dispersión de los valores, que se caracteriza por un coeficiente de variación, que se denomina coeficiente de variación biológica intraindividual

Un ejemplo de ello son las variaciones de la concentración de cortisol  circulante en un mismo paciente a una hora determinada y en las mismas condiciones de preparación,  como ser a las 8.00 am, en ayunas.

El valor del coeficiente de variación  biológica intra-individual, para el cortisol, se estima en un 20% (ver tabla en la página de Westgard: “Desirable Specifications for Total Error, Imprecision, and Bias, derived from intra- and inter-individual biologic variation”).

No debe confundirse esta variabilidad biológica del cortisol con los cambios normales de concentración  observados a lo largo del día.
.
2- Variación biológica grupal:

Se refiere a las variaciones del valor medio,  que caracteriza a la condición homeostática del analito, entre distintos pacientes.

Estudiados todos los pacientes a las 8.00 am, en ayunas, existen variaciones del valor medio de la concentración, entre dichos pacientes, cuya dispersión se la puede caracterizar por el coeficiente de variación inter-individual o más conocido como coeficiente de variación biológica grupal.

En  el ejemplo del cortisol el valor estimado para el coeficiente de variación biológica grupal es de 45.6% según se observa en la tabla en la página de Internet de Westgard.

IMPORTANTE: Estas variaciones (tanto la variabilidad biológica intraindividual como la grupal), de origen fisiológico, se deben diferenciar de las variaciones de concentración que se observan en los ciclos biológicos, donde  las variaciones de la concentración del analito se deben a cambios de la condición homeostática en el mismo paciente, (también por razones fisiológicas).

Por ejemplo para el cortisol, serían los cambios normales de concentración  a lo largo del día, debido a los cambios de la condición homeostática, denominado ciclo circadiano del cortisol.

Lo propio se observa con los cambios de la condición homeostática para las hormonas,  las gonadotrofinas, estradiol y progesterona, en ciclos normales en mujeres en edad fértil.

Estos cambios no se caracterizan a través de un valor medio ni de un parámetro de dispersión de las concentraciones.

De modo que para los fines de este análisis se usarán  solo las variaciones biológicas intraindividuales y  las variaciones biológicas inter individuales o grupales que se observan en pacientes que se encuentran en las mismas condiciones de preparación y hora del día para la toma de la muestra.

RANGO DE REFERENCIA

Los conceptos anteriores  llevan, indefectiblemente,  a analizar si el rango de referencia utilizado actualmente en los laboratorios clínicos, para un determinado analito, los incluye.

1-Volviendo al ejemplo de  glucosa, se extrae de tablas que:

-         el coeficiente de variación biológica intraindividual (CVI%) está estimado en 5.7%

-         el coeficiente de variación biológica grupal (CVG%) es de 6.9%.

Analizando la información extraída de  los programas de control de calidad externo se concluye que, para una muestra cercana a 100 mg% (5.5 mmol/L):

-          el coeficiente de Variación Analítica Grupal (CVAG%), de todos los resultados informados con diferentes métodos, está en el orden de 5%.
(fuente: Programas de Control de Calidad Externo)

Se puede entonces verificar si estos valores son coherentes con el rango de referencia utilizado actualmente de 70-110 mg% (3.9-6.1 mmol/L) en la mayoría de los laboratorios de análisis clínicos.

El valor medio (mediana) del rango de referencia utilizado es 90mg% (5mmol/L)

Considerando los datos disponibles de coeficiente de variación biológica intraindividual y grupal,  y el coeficiente de variación analítica grupal
(para  todas las metodologías) se puede  calcular el coeficiente de variación total de los resultados, en individuos normales , para glucosa .

CV% total = (CVI% 2 + CVG% 2+ CVAG% 2 ) 0.5 =           

      = (5.9 % 2 + 6.9% 2 + 5% 2) 0.5 = 10.2%

Por lo tanto el  rango calculado con estos valores resulta:

Valor medio ±  2 · Desv. Standard                         

Valor medio = mediana del rango de referencia en uso.

Desv. Standard      = Mediana · CV% total /100           

90 mg% ± 2  ( 90 mg% · 0.102)  =      

90 mg% ±  2  ·  9.2 mg%  =   

90 mg% ±  18.4 mg% 

71.6 mg%  a  108.4 mg%  , comparemos este rango con el rango de referencia utilizado actualmente de 70-110 mg%

En mmol /L

5 mmol/L ± 2 (5 mmol/L · 0.102 ) =

5 mmol/L ± 2  0.51 mmol/L =

5 mmol/L ±  1.02 mmol/L =

3.98 mmol/L a  6.02 mmol/L, comparemos  este rango con el de referencia en uso 3.9-6.1 mmol/L.

Análisis  de la ecuación  del CV total del Rango de Referencia:

CV% total = (CVI% 2 + CVG% 2+ CVAG% 2 ) 0.5

A partir del valor de la mediana del rango de referencia hemos visto que el rango total queda definido como:

Mediana  ±  2 · Desv. Standard     

Mediana ± 2 · (Mediana · CV% total /100)  

Observando la ecuación se puede entender que diferentes analitos pueden tener sus rangos de referencia
definidos  de diferente manera según cual de los tres componentes prevalezca.

Si los sistemas analíticos cumplen con las especificaciones de calidad, lo ideal es que CVAG%: Coeficiente de variación analítica grupal (de todos los métodos)  tenga un valor menor a la mitad del  CVI% (coeficiente de variación biológica intraindividual), en tal caso su aporte a la suma para el cálculo del CV% total no sería significativo.

La situación ideal es que comparemos el resultado de un paciente frente a un rango de referencia definido principalmente por  el CVI%  para lo cual se debe cumplir que CVI%> CVG%. y  el CVAG% sea no significativo frente a los otros dos.


2- Contribución de cada componente  al rango de referencia para la Albumina en Suero , cuyo valor es de: 

Valor re referencia albúmina sérica: 3,5 a 4,8 g%

CVI%   = 3.1%
CVG%  = 4.2%
CVAG%= 7 %


CV% total = (CVI% 2 + CVG% 2+ CVAG% 2 ) 0.5     

CV% total = (3.1% 2 + 4.2 % 2+ 7 2 ) 0.5 =  8.73 % (aprox=9%)

Mediana ± 2 · (Mediana · CV% total /100)

4.2 g% ± 2 · (4.2 g% · 9 /100) =  

=4.2 g% ± 2 · (4.2 g% · 0.09) = 

=  4.2  ± 0.7 =  3.5 a 4.9 g%


Este rango así calculado es comparable con el rango de referencia utilizado actualmente de 3.5-4.8 mg%.
Se observa que el rango esta definido principalmente por el CVAG% .

Si se usan métodos con especificaciones de calidad que se ajusten a los valores de variabilidad biológica, el rango de referencia de los valores para individuos normales debería ser menor a  3.5 - 4.8 mg% utilizado actualmente.

3-Veamos cómo está constituido el rango de referencia para la Creatinina en Suero cuyo valor es de:

Valor  referencia creatinina sérica en  hombres: 0.8 a 1.4  mg%

CVI%   =  5.3%
CVG%  = 14.2%
CVAG%= 10 %

CV% total = (CVI% 2 + CVG% 2+ CVAG% 2 ) 0.5

CV% total = (5.3% 2 + 14.2% 2+ 10% 2 ) 0.5  = 18%


Mediana ± 2 · (Mediana · CV% total /100)

1.1 mg% ± 2 · (1.1 mg% · 18 /100)

1.1mg% ± 2 · (1.1 mg% · 0.18) = 

= 1.1 ± 0.4 = 0.7 mg% - 1.5 mg%

El rango de referencia calculado es comparable con el rango de referencia utilizado actualmente de 0.8-1.4 mg% 

En este caso el rango de referencia esta definido principalmente por el CVG% (coeficiente de variación biológica grupal.)

Conclusión:

A simple vista la expresión del rango de referencia  en los informes de laboratorio utilizados actualmente, no refleja
cual de  los componentes contribuye más a la variación del rango de referencia.

Estas diferentes situaciones  se han mostrado en los tres analitos utilizados a modo de ejemplo.

Cuando al aplicarse este procedimiento de cálculo, los rangos de referencia  difieran de los rangos actualmente en uso,
se deberán revisar los valores asignados a los coeficientes de variación biológica  y  al coeficiente de variación analítica.
De confirmarse que estos valores son correctos, se debería revisar el rango de normalidad utilizado en el informe de laboratorio.

Obsérvese que el CVAG% utilizado en los cálculos contempla la variación analítica de todos los métodos.

En aquellos analitos cuyos rangos de referencia dependen de este parámetro, se debería considerar el que le corresponde
al método específico en uso.

El rango de referencia tampoco  refleja si  la distribución de los resultados de individuos sanos no sigue una distribución normal. En esos casos  la media, mediana y moda de la distribución de los valores no coinciden. El cálculo del rango de referencia, para estos casos, no seria tan simple como se ha visto en los ejemplos precedentes. 

english version 

BIOLOGICAL VARIATION


The biological variation of an analyte can be defined as the changes in its concentration which take place, for physiological reasons, in certain conditions.

However, it must be taken into consideration that those variations can be of different types, as follows:

1-Intra-individual biological variation:

It refers to the changes which take place in the same patient when the study is performed under the same conditions. For example, at the same time of the day and under the same preparation conditions.

Thus, it can be defined:

·      an average value (defined as the concentration which  characterizes the analyte homeostatic condition  in the patient) and
·      a dispersion of values, characterized by a variation coefficient, called intra-individual biological variation coefficient.

An example of what was mentioned above, is the variation of the circulating cortisol concentration, for the same patient, at a given time of the day and under the same preparation conditions, such as, a fasting, 8.00 am sample.

The cortisol intra-individual biological variation coefficient is estimated to be 20% (refer to table in Westgard website: “Desirable Specifications for Total Error, Imprecision, and Bias, derived from intra- and inter-individual biologic variation”).

This cortisol biological variation must not be mistaken for the normal cortisol concentration changes observed along the day.

1-     Group biological variation:

It refers to the variation of the average value, which characterizes the analyte homeostatic condition, between different patients.

When all  patients are evaluated under fasting conditions  at 8.00 am,  variations in the average cortisol concentration  between those patients are found, with a dispersion that can be characterized by the inter-individual variation coefficient,  better known as group biological variation coefficient.

For the cortisol example, mentioned above, the estimated group biological variation coefficient is 45.6% based on the data found in Westgard’s website.

IMPORTANT NOTE: These variations (both the intra-individual and group biological variations), are due to physiological reasons and should be differentiated from the concentration variations that take place in biological cycles, where the analyte concentration variations are due  to changes in the patient homeostatic condition (also due to physiological reasons).

For example, for cortisol, those would be the normal cortisol concentration changes along the day, called cortisol circadian cycle

The same phenomenon is observed for some hormones homeostatic condition changes, for instance for  gonadotrophins , estradiol and progesterone, in normal cycles for  fertile  women.

These changes are not characterized either by an average value or by a concentration dispersion parameter.

Therefore, for the purpose of this analysis, only the intra-individual biological variations and the inter-individual or group variations, observed in patients whose samples have been taken under the same patient preparation conditions and time of the day, will be used.

REFERENCE RANGE

In view of what has been said in the above paragraphs, it is necessary to analyze if these concepts are being considered when defining the reference range used for a stated analyte.

1-Going back to the glucose example, it has been calculated previously that:


-         the intra-individual biological variation coefficient (CVI%) is estimated to be  5.7%

-         the inter-individual or group biological variation coefficient (CVG%) is 6.9%.

When analyzing the information obtained from the external quality control programs it can be concluded that, for a sample with a concentration of approximately 100 mg% (5.5 mmol/L):

-         the analytical grupal variation coefficient (CVAG%), for the results informed with different methods, is in the order of 5% (reference: External Quality Control Programs)
It is possible to verify if those values are coherent with the reference range of 70-110 mg% (3.9-6.1 mmol/L) currently being used by most  clinical laboratories.

The reference range average value (median) is 90mg% (5mmol/L)

The total variation coefficient for glucose for normal individuals, can be calculated considering the available data regarding intra-individual and inter-individual or group biological variation coefficients, and the group analytical variation coefficient (for all the methodologies).

CV% total = (CVI% 2 + CVG% 2+ CVAG% 2 ) 0.5 =           

      = (5.9 % 2 + 6.9% 2 + 5% 2) 0.5 = 10.2%

So, the calculated range using these values is:

Average value ±  2 · Standard deviations                

Average value= median of the reference range used

Standard deviation = Median  · CV% total /100            

90 mg% ± 2  ( 90 mg% · 0.102)  = 

90 mg% ±  2  ·  9.2 mg%  =  

90 mg% ±  18.4 mg% 

71.6 mg%  a  108.4 mg%  , the obtained range can be compared with the reference range currently being used  which is 70-110 mg%

Expresed in mmol /L

5 mmol/L ± 2 (5 mmol/L · 0.102 ) =

5 mmol/L ± 2  0.51 mmol/L =

5 mmol/L ±  1.02 mmol/L =

3.98 mmol/L to 6.02 mmol/L, compared with the reference range of   3.9-6.1 mmol/L currently being used.


Analysis of the equation for the total CV of the Reference Range

CV% total = (CVI% 2 + CVG% 2+ CVAG% 2 ) 0.5

Based on the reference range median value it has been stated that the total range is defined as:

Median ±  2 · Standard deviation   

Median ± 2 · (Median · CV% total /100)


By analyzing the equation we can understand that different analytes can have their reference ranges defined in different ways according to which one of the three components prevail.
If the analytical systems comply with the quality specifications, it is ideal that the CVAG%: Group analytical variation coefficient (for all the methods) has a value equal to half or less than the CVI% (intra-individual biological variation coefficient). Consequently its contribution to the sum for the CV% total calculation would not be significant.

The ideal situation is to compare the patient result with a reference range, defined mainly by CVI%. For this to be so, it is necessary that  CVI%> CVG% and that CVAG% is so small that it is not significant compare to both of them.

2-     The contribution of each component to the reference range for Serum Albumin follows.


Reference value for serum albumin: 3,5 a 4,8 g%

CVI%   = 3.1%
CVG%  = 4.2%
CVAG%= 7 %

CV% total = (CVI% 2 + CVG% 2+ CVAG% 2 ) 0.5            
CV% total = (3.1% 2 + 4.2 % 2+ 7 2 ) 0.5 =  8.73 % (aprox.= 9%)

Median ± 2 · (Median · CV% total /100)

4.2 g% ± 2 · (4.2 g% · 9 /100) = 

=4.2 g% ± 2 · (4.2 g% · 0.09) = 

=  4.2  ± 0.7 =  3.5 a 4.9 g%


Comparing  this range with the reference range of  3.5-4.8 mg% currently being used, it can be observed that it is defined mainly by the contribution of   CVAG%.

When using methods complying with quality specifications to fit the biological variation, the reference range for normal individual values should be smaller than 3.5 - 4.8 mg% currently used.

3-     The contribution of the components for the reference value for Serum Creatinine will now be examined:

Reference value for serum creatinine in men: 0.8 a 1.4  mg%


CVI%   =  5.3%
CVG%  = 14.2%
CVAG%= 10 %

CV% total = (CVI% 2 + CVG% 2+ CVAG% 2 ) 0.5

CV% total = (5.3% 2 + 14.2% 2+ 10% 2 ) 0.5  = 18%

Median ± 2 · (Median · CV% total /100)

1.1 mg% ± 2 · (1.1 mg% · 18 /100)

1.1mg% ± 2 · (1.1 mg% · 0.18) = 


= 1.1 ± 0.4 = 0.7 mg% - 1.5 mg%

Comparing  this range with the reference range of  0.8-1.4 mg% currently being used, it can be observed that it is defined mainly by the contribution of   CVG% (group biological variation coefficient)

Conclusion:

At first sight, the reference range expression, currently being used by clinical laboratories , DOES NOT reflect which one of the components contributes more to the reference range variation.

The different situations have been demonstrated for the three analytes used here as examples.

If the reference values obtained using this calculation procedure turn out to be different from the reference values normally used in laboratory practice, the values assigned to the biological variation and the analytical variation coefficient should be checked. If they are correct, the reference range used in the laboratory report should be modified.

Be aware that the CVAG%, used for the calculations, includes the analytical variation of all the analytical methods.

For  those analytes, whose  reference ranges depend upon this parameter, care must be taken to use the CVAG% which corresponds  to the specific method being used. 

The calculated reference range  is not valid when the distribution of results for healthy individuals is not a normal distribution. In this particular case, the distribution average, median and mode do not coincide. The calculation of the reference range for these cases is not that simple as in the cases described as examples.