犬識別肺癌氣味的訓練方法及其效果分析

熊玉強 趙勤濤 蘆 帥 于 毅 張建華 毛嘉禾

犬發達的嗅覺在社會實踐中不斷被發掘利用，尤其是在緝毒、搜爆、血跡搜索等公安工作中發揮了巨大作用。近十年來，用犬進行人類癌癥篩查被認為是一種安全快捷、非侵入性的方法，并取得了良好的效果。為了研究嗅癌犬的訓練方法，檢驗犬識別人類癌癥氣味的能力，探索嗅癌犬在臨床使用中的可行性，本研究以肺癌忠者為試驗對象，以患者呼出的氣體為嗅源，選擇2 頭2 歲的馬里努阿犬和1頭6 月齡的德國牧羊犬作為訓練用犬，使用響片正強化的方法經過3 個月的不同階段的訓練后進行訓練效果測試。測試使用了24 例肺癌患者和96 例健康人員的呼出氣體樣本，采用雙盲隨機樣本測試的方法檢測了3 頭犬對肺癌氣味檢測的靈敏度和特異度。結果顯示：3 頭犬對肺癌識別的靈敏度均達到90%以上，平均靈敏度和特異度分別達到了93.7%和97.6%，顯著高于肺癌常規診斷所使用的影像學檢查、病理檢查、癌標志物檢查等技術方法，表明使用該訓練方法可以訓練犬特異度識別肺癌氣味。

由于不同部位癌細胞的作用機制的不同，不同類型的癌細胞的選擇性表達或者過表達，可以產生各種各樣的不同的化合物，比如烷烴、芳香烴以及苯系物等，這些癌細胞代謝的化合物釋放到血液中，再經過尿液、糞便、汗液以及呼出氣體等途徑釋放到空氣中，現有的各類化學方法都很難精確地探測這些釋放物，而通過犬的靈敏嗅覺卻可以識別出來，使用訓練良好的犬來篩查癌癥病患具有可行性，可以作為癌癥臨床輔助診斷的一種方法。雖然目前大量的研究表明犬可以由特異度識別肺癌、胃癌、乳腺癌和前列腺癌等疾病，并取得了積極的效果，但是不同的研究結果之間表現出了較大的差異，對比使用呼出氣體作為嗅源的犬嗅診肺癌的研究發現，其靈敏度界于30%～99%之間，這一結果暗示犬的訓練方法可能是影響檢測結果的一個重要因素，而目前尚未有文獻提供關于嗅癌犬翔實的訓練方法及其訓練效果的研究。本文以肺癌患者為研究對象，以吸附的呼出氣體為嗅源，借鑒搜爆犬和刑偵鑒別犬的訓練方法，使用3 頭犬經過2 個月的摸索訓練，詳細歸納總結了嗅癌犬的訓練方法，并對該方法的效果進行分析，以期為其他犬的氣味訓練提供參考。

一、試驗材料和方法

（一）試驗用犬

本研究從公安部南昌警犬基地選擇2 頭2 歲的馬里努阿犬和1 頭6 月齡的德國牧羊犬作為訓練用犬，其中馬里努阿犬分別編號為1 號犬、2 號犬，德國牧羊犬編號為3號犬，1號犬和2號犬曾進行過3個月的搜爆訓練，3 號犬沒有進行過專業科目訓練。

（二）試驗對象

以肺癌患者為研究對象，以紗布吸附的人呼出氣體作為犬的嗅源。本試驗共采集24 例肺癌患者樣本，96例健康人員樣本，每例樣本采集3 份，共計360 份。為了盡量避免在健康人的對照樣本中隱含肺癌氣味樣本，根據2015 年中國惡性腫瘤流行情況分析報告，本試驗所用的健康樣本均為30 歲以下年輕人樣本（見表1）。

表1 樣本信息表

（三）樣本采集方法

將3 層紗布塊放入口罩中，把紗布對準口鼻腔戴上口罩5 分鐘，5 分鐘后取出紗布放入采集瓶中，蓋緊瓶蓋，然后用封口膜封住瓶蓋縫隙，將樣品放入-20℃的冰箱中冷凍保存。采集樣本使用的采集瓶由義烏市龍川玻璃制品有限公司生產；吸附呼出氣體氣味所使用的紗布（規格7.5×7.5cm）由紹興振德醫用敷料有限公司生產；比克曼生物提供的無菌采樣袋；口罩使用的是江西國康實業有限公司生產的單個裝醫用無菌外科口罩。

（四）測試方法

本試驗的測試采用“雙盲法”進行，共測試24 次，每天6 次。測試所使用的樣本均是未使用過的新采集的樣本，使用8 個鑒別罐呈直線形排列。

二、嗅癌犬的訓練方法

（一）嗅癌犬前期能力的培養

嗅癌犬前期能力的培養主要包括以下幾個方面：食物動力、獵取動力、搜索能力和示警形式。食物動力是犬為了獲得生存和生長發育的食物需要而完成一種任務的內驅力，獵取動力是指犬先天遺傳的捕獲獵物的本能活動，是食物動力的外延和發展。這兩種動力是嗅癌犬訓練的基礎和前提，動力越強，犬的注意力和專注意識才越好，搜索的積極性和主動性才能充分調動起來，正確的行為表現所受到的獎勵對犬來說才更有意義。

搜索能力是犬搜索形式、嗅覺能力和搜索耐力的一種綜合能力。在前期能力培養過程中，對犬進行了多種搜索形式的訓練，通過尋找物品來強化犬對一般場地、鑒別平臺、鑒別罐等形式的理解，培養犬能在訓導員引導下進行有序的搜索作業。嗅癌犬訓練是一個氣味識別和分化的訓練過程，不僅考驗犬對氣味的感知能力，還考驗了犬從復雜氣味中分化出特殊氣味的能力，通過隱蔽式銜取培養犬使用鼻子作業的習慣，將訓導員摸過的石頭丟進石頭堆里，讓犬去學習分化訓導員的氣味等各種方法培養犬的嗅覺能力。

示警形式是犬搜索到目標物的一種規范的反應形式。在警犬的訓練中，犬的示警形式一般是“坐”或“臥”，癌癥患者呼出氣體有著細微的特殊氣味，沒有良好的示警形式會使犬在搜索過程中破壞或者污染訓練氣味，甚至會出現“扒”“舔”“拱”等行為，不利于犬對細微氣味建立聯系。

（二）犬對肺癌氣味的記憶訓練

根據癌癥氣味是一種微小混合氣味的特點和犬的作業習慣，本研究將多孔空心磚和鑒別罐作為訓練犬記憶癌癥氣味的工具。先將吸附有癌癥氣味的紗布放入單個空心磚或鑒別罐中，氣味會在磚孔中和鑒別罐中富集，當犬感受到磚孔中的新異氣味進行探求時，按下響片并給予食物獎勵，及時強化犬的探求反應。如此重復多次，然后將放有癌癥氣味的空心磚放入事先準備好的多塊磚的搜索形式中，牽引犬進行搜索，當犬對目標氣味探求并示警后，給予獎勵，如此重復多次。每天不宜進行過多的訓練，建議每天訓練1～2 次，每次搜索2～3 遍即可（見圖1）。

圖1

（三）犬從簡單氣味中分化肺癌氣味的訓練

當犬具備一定的氣味聯系后，為了讓犬從紗布和人呼出氣味的混合氣味中分化肺癌氣味，以吸附肺癌氣味的紗布為目標物，以同種類的干凈紗布為配物進行分化訓練。按照“由簡入繁”的原則，先使用1 個目標物和2 個配物進行訓練，讓犬從較少的選擇當中識別目標物，然后逐步增加配物的數量，直到犬能在8 個左右的配物中識別目標物的正確率達到100%為止。

（四）犬從復雜人體氣味中分化肺癌氣味的訓練

當犬對癌癥氣味形成記憶以后，進入到人體氣味的分化訓練階段，這一階段是犬進行氣味分化的關鍵階段。有研究認為吸煙、飲食和環境因素造成的系統差異會對犬檢測肺癌的特異度和靈敏度造成影響。因此該階段的訓練不僅要考慮到樣本提供者的地域、飲食、酗酒、吸煙等個人氣味差異，還要考慮到采樣環境造成的系統性氣味差異。本研究將該階段的訓練分為以下幾步進行：

1.將配物氣味分類，不吸煙/吸煙樣本、不同地域樣本、酒后樣本、飯前/飯后樣本、醫院環境下采集的樣本等種類。

2.先使用干擾氣味少的樣本作為配物。將2 個飯前不吸煙的樣本作為配物和1 個目標物分別放在3 個鑒別罐中，另設置與目標物相同的氣味樣本放入另一個鑒別罐中作為嗅源，先讓犬聞嗅源，然后讓犬去搜索另外3 個鑒別罐中的目標氣味，犬準確示警后給予獎勵，如此反復多次訓練。當犬能明白訓導員的意圖后，將配物的數量增加，直到犬能穩定準確示警為止。

3.逐步引入復雜呼出氣體氣味作為配物。逐步將飯后不吸煙、飯前吸煙、飯后吸煙、酒后、醫院環境等不同條件下的氣味引入配物當中，重復第2 步的訓練方法，訓練犬在復雜的人體氣味當中分化癌癥患者所特有的氣味。

4.調整嗅源和目標物氣味。使用與搜索形式中目標物氣味不同的肺癌患者氣味作為嗅源，重復第2 步的訓練方法，讓犬在不同的肺癌樣本中找出共性。

5.去掉嗅源。訓練犬在沒有嗅源氣味條件下，直接搜索目標物的能力。使用8 個鑒別罐，7 個鑒別罐中放入各種條件下的配物氣味，1 個放入肺癌氣味進行搜索訓練。按照上述步驟持續訓練約1 周時間（見圖2）。

6.雙盲測試。在未知條件下，測試犬在不同配物氣味環境中，識別癌癥氣味的靈敏度和特異度。按照上述第5 步的方法進行雙盲測試，每頭犬的測試次數不低于24 次，靈敏度和其特異度均達到90%以上后，再進行接下來的訓練。

圖2

（五）空白訓練

空白訓練也稱否定式訓練，即在一組測試中沒有目標物，犬不能對其中任何一個樣本反應。空白訓練是嗅癌犬訓練中的一個難點，首先是因為在前期的訓練過程中一次訓練必有1 個目標物，犬已經對這種形式形成記憶，當沒有目標物存在時，犬會反復進行搜索，為了獲得獎勵，有可能會對配物氣味產生反應。其次，空白訓練的頻率不能多，否則犬會認為即使找不到目標也可以獲得獎勵從而變得“敷衍了事”，造成工作的專注意識和積極性下降。為此，先減少一組測試中鑒別物的數量，在一次訓練的3 組測試中，隨機設置1 組空白訓練。在空白訓練時，犬沒有對鑒別物反應，立即停止搜索并給予撫摸安撫獎勵，逐步增加鑒別物的數量，直到與平時訓練的數量一致為止。

（六）目標物數量隨機條件下的訓練

在一組測試中目標物數量隨機，可能有多個目標物，可能沒有目標物。首先，在已知目標物條件下進行訓練，在10 個鑒別罐中放入2～3 個目標物，讓犬逐個搜索。犬示警以后將目標物拿走，然后繼續搜索，直到對所有鑒別罐逐個嗅認且不反應后，訓練結束。其次，在未知條件下進行訓練，讓助訓員隨機放置目標物，讓犬逐個嗅認。

三、試驗結果

本次測試共使用肺癌樣本42份，健康人樣本150 份。結果顯示，3頭犬對肺癌的識別的靈敏度均達到90%以上，平均靈敏度和特異度分別達到了93.7%和97.6%，顯著高于肺癌常規診斷所使用的影像學檢查、病理檢查、癌標志物檢查等技術方法，表明使用該訓練方法可以訓練犬特異度識別肺癌氣味（見表2）。

表2 3 頭犬在隨機條件下的鑒別肺癌氣味的結果

四、補充與討論

（一）配物的選擇要符合“金標準”原則

所謂“金標準”即使用的目標物必須是已經確診的癌癥樣本，而使用的配物是經過檢驗的健康樣本。Cornu等人使用尿液樣本評估了犬前列腺癌檢測的效果，犬在33 例樣本中正確地指定了30 例癌癥樣本。在3 例陰性樣本中，一名患者通過重新活檢確診了前列腺癌。這說明了僅使用已確認準確的目標物或配物樣本(即使用“金標準”原則)的重要性。使用錯誤分類的樣本在訓練中會使犬混淆預期目標氣味。在實際訓練過程中，雖然不能保證所有的配物都是非癌癥樣本，但是需要對采集對象有所區分，以盡可能減少配物對訓練的干擾。

（二）訓練過程規避系統性誤差

用于訓練和測試的樣本氣味誤差是造成結果偏離或混淆的一個重要成分，因此必須給予足夠的重視。樣本氣味的系統性誤差來源比較廣泛，其中最常見的是以下幾個方面：首先是樣本采集環境造成的系統誤差，比如采集的肺癌患者樣本大部分是在醫院環境中完成的，而健康人的氣味樣本通常是在醫院外采集的，那么醫院環境中所特有的消毒液、藥液等氣味便會形成系統誤差。其次是樣本的存儲環境造成的系統誤差，目標物和配物存儲的環境、使用的容器、保存的方法等不一致就會造成系統誤差。最后是助訓員的不當操作造成的系統誤差，訓練樣本可能會被任何觸碰過樣本的人的人體氣味所污染，助訓員身上所特有的氣味對樣本也會造成污染，每次訓練目標物放置的位置應該是隨機的，不應該受助訓員的偏好所影響。一旦造成系統誤差，犬所感知的可能不再是目標物氣味，而是系統性的差異氣味，從而造成結果偏差。