犬识别肺癌气味的训练方法及其效果分析

熊玉强 赵勤涛 芦 帅 于 毅 张建华 毛嘉禾

犬发达的嗅觉在社会实践中不断被发掘利用，尤其是在缉毒、搜爆、血迹搜索等公安工作中发挥了巨大作用。近十年来，用犬进行人类癌症筛查被认为是一种安全快捷、非侵入性的方法，并取得了良好的效果。为了研究嗅癌犬的训练方法，检验犬识别人类癌症气味的能力，探索嗅癌犬在临床使用中的可行性，本研究以肺癌忠者为试验对象，以患者呼出的气体为嗅源，选择2 头2 岁的马里努阿犬和1头6 月龄的德国牧羊犬作为训练用犬，使用响片正强化的方法经过3 个月的不同阶段的训练后进行训练效果测试。测试使用了24 例肺癌患者和96 例健康人员的呼出气体样本，采用双盲随机样本测试的方法检测了3 头犬对肺癌气味检测的灵敏度和特异度。结果显示：3 头犬对肺癌识别的灵敏度均达到90%以上，平均灵敏度和特异度分别达到了93.7%和97.6%，显著高于肺癌常规诊断所使用的影像学检查、病理检查、癌标志物检查等技术方法，表明使用该训练方法可以训练犬特异度识别肺癌气味。

由于不同部位癌细胞的作用机制的不同，不同类型的癌细胞的选择性表达或者过表达，可以产生各种各样的不同的化合物，比如烷烃、芳香烃以及苯系物等，这些癌细胞代谢的化合物释放到血液中，再经过尿液、粪便、汗液以及呼出气体等途径释放到空气中，现有的各类化学方法都很难精确地探测这些释放物，而通过犬的灵敏嗅觉却可以识别出来，使用训练良好的犬来筛查癌症病患具有可行性，可以作为癌症临床辅助诊断的一种方法。虽然目前大量的研究表明犬可以由特异度识别肺癌、胃癌、乳腺癌和前列腺癌等疾病，并取得了积极的效果，但是不同的研究结果之间表现出了较大的差异，对比使用呼出气体作为嗅源的犬嗅诊肺癌的研究发现，其灵敏度界于30%～99%之间，这一结果暗示犬的训练方法可能是影响检测结果的一个重要因素，而目前尚未有文献提供关于嗅癌犬翔实的训练方法及其训练效果的研究。本文以肺癌患者为研究对象，以吸附的呼出气体为嗅源，借鉴搜爆犬和刑侦鉴别犬的训练方法，使用3 头犬经过2 个月的摸索训练，详细归纳总结了嗅癌犬的训练方法，并对该方法的效果进行分析，以期为其他犬的气味训练提供参考。

一、试验材料和方法

（一）试验用犬

本研究从公安部南昌警犬基地选择2 头2 岁的马里努阿犬和1 头6 月龄的德国牧羊犬作为训练用犬，其中马里努阿犬分别编号为1 号犬、2 号犬，德国牧羊犬编号为3号犬，1号犬和2号犬曾进行过3个月的搜爆训练，3 号犬没有进行过专业科目训练。

（二）试验对象

以肺癌患者为研究对象，以纱布吸附的人呼出气体作为犬的嗅源。本试验共采集24 例肺癌患者样本，96例健康人员样本，每例样本采集3 份，共计360 份。为了尽量避免在健康人的对照样本中隐含肺癌气味样本，根据2015 年中国恶性肿瘤流行情况分析报告，本试验所用的健康样本均为30 岁以下年轻人样本（见表1）。

表1 样本信息表

（三）样本采集方法

将3 层纱布块放入口罩中，把纱布对准口鼻腔戴上口罩5 分钟，5 分钟后取出纱布放入采集瓶中，盖紧瓶盖，然后用封口膜封住瓶盖缝隙，将样品放入-20℃的冰箱中冷冻保存。采集样本使用的采集瓶由义乌市龙川玻璃制品有限公司生产；吸附呼出气体气味所使用的纱布（规格7.5×7.5cm）由绍兴振德医用敷料有限公司生产；比克曼生物提供的无菌采样袋；口罩使用的是江西国康实业有限公司生产的单个装医用无菌外科口罩。

（四）测试方法

本试验的测试采用“双盲法”进行，共测试24 次，每天6 次。测试所使用的样本均是未使用过的新采集的样本，使用8 个鉴别罐呈直线形排列。

二、嗅癌犬的训练方法

（一）嗅癌犬前期能力的培养

嗅癌犬前期能力的培养主要包括以下几个方面：食物动力、猎取动力、搜索能力和示警形式。食物动力是犬为了获得生存和生长发育的食物需要而完成一种任务的内驱力，猎取动力是指犬先天遗传的捕获猎物的本能活动，是食物动力的外延和发展。这两种动力是嗅癌犬训练的基础和前提，动力越强，犬的注意力和专注意识才越好，搜索的积极性和主动性才能充分调动起来，正确的行为表现所受到的奖励对犬来说才更有意义。

搜索能力是犬搜索形式、嗅觉能力和搜索耐力的一种综合能力。在前期能力培养过程中，对犬进行了多种搜索形式的训练，通过寻找物品来强化犬对一般场地、鉴别平台、鉴别罐等形式的理解，培养犬能在训导员引导下进行有序的搜索作业。嗅癌犬训练是一个气味识别和分化的训练过程，不仅考验犬对气味的感知能力，还考验了犬从复杂气味中分化出特殊气味的能力，通过隐蔽式衔取培养犬使用鼻子作业的习惯，将训导员摸过的石头丢进石头堆里，让犬去学习分化训导员的气味等各种方法培养犬的嗅觉能力。

示警形式是犬搜索到目标物的一种规范的反应形式。在警犬的训练中，犬的示警形式一般是“坐”或“卧”，癌症患者呼出气体有着细微的特殊气味，没有良好的示警形式会使犬在搜索过程中破坏或者污染训练气味，甚至会出现“扒”“舔”“拱”等行为，不利于犬对细微气味建立联系。

（二）犬对肺癌气味的记忆训练

根据癌症气味是一种微小混合气味的特点和犬的作业习惯，本研究将多孔空心砖和鉴别罐作为训练犬记忆癌症气味的工具。先将吸附有癌症气味的纱布放入单个空心砖或鉴别罐中，气味会在砖孔中和鉴别罐中富集，当犬感受到砖孔中的新异气味进行探求时，按下响片并给予食物奖励，及时强化犬的探求反应。如此重复多次，然后将放有癌症气味的空心砖放入事先准备好的多块砖的搜索形式中，牵引犬进行搜索，当犬对目标气味探求并示警后，给予奖励，如此重复多次。每天不宜进行过多的训练，建议每天训练1～2 次，每次搜索2～3 遍即可（见图1）。

图1

（三）犬从简单气味中分化肺癌气味的训练

当犬具备一定的气味联系后，为了让犬从纱布和人呼出气味的混合气味中分化肺癌气味，以吸附肺癌气味的纱布为目标物，以同种类的干净纱布为配物进行分化训练。按照“由简入繁”的原则，先使用1 个目标物和2 个配物进行训练，让犬从较少的选择当中识别目标物，然后逐步增加配物的数量，直到犬能在8 个左右的配物中识别目标物的正确率达到100%为止。

（四）犬从复杂人体气味中分化肺癌气味的训练

当犬对癌症气味形成记忆以后，进入到人体气味的分化训练阶段，这一阶段是犬进行气味分化的关键阶段。有研究认为吸烟、饮食和环境因素造成的系统差异会对犬检测肺癌的特异度和灵敏度造成影响。因此该阶段的训练不仅要考虑到样本提供者的地域、饮食、酗酒、吸烟等个人气味差异，还要考虑到采样环境造成的系统性气味差异。本研究将该阶段的训练分为以下几步进行：

1.将配物气味分类，不吸烟/吸烟样本、不同地域样本、酒后样本、饭前/饭后样本、医院环境下采集的样本等种类。

2.先使用干扰气味少的样本作为配物。将2 个饭前不吸烟的样本作为配物和1 个目标物分别放在3 个鉴别罐中，另设置与目标物相同的气味样本放入另一个鉴别罐中作为嗅源，先让犬闻嗅源，然后让犬去搜索另外3 个鉴别罐中的目标气味，犬准确示警后给予奖励，如此反复多次训练。当犬能明白训导员的意图后，将配物的数量增加，直到犬能稳定准确示警为止。

3.逐步引入复杂呼出气体气味作为配物。逐步将饭后不吸烟、饭前吸烟、饭后吸烟、酒后、医院环境等不同条件下的气味引入配物当中，重复第2 步的训练方法，训练犬在复杂的人体气味当中分化癌症患者所特有的气味。

4.调整嗅源和目标物气味。使用与搜索形式中目标物气味不同的肺癌患者气味作为嗅源，重复第2 步的训练方法，让犬在不同的肺癌样本中找出共性。

5.去掉嗅源。训练犬在没有嗅源气味条件下，直接搜索目标物的能力。使用8 个鉴别罐，7 个鉴别罐中放入各种条件下的配物气味，1 个放入肺癌气味进行搜索训练。按照上述步骤持续训练约1 周时间（见图2）。

6.双盲测试。在未知条件下，测试犬在不同配物气味环境中，识别癌症气味的灵敏度和特异度。按照上述第5 步的方法进行双盲测试，每头犬的测试次数不低于24 次，灵敏度和其特异度均达到90%以上后，再进行接下来的训练。

图2

（五）空白训练

空白训练也称否定式训练，即在一组测试中没有目标物，犬不能对其中任何一个样本反应。空白训练是嗅癌犬训练中的一个难点，首先是因为在前期的训练过程中一次训练必有1 个目标物，犬已经对这种形式形成记忆，当没有目标物存在时，犬会反复进行搜索，为了获得奖励，有可能会对配物气味产生反应。其次，空白训练的频率不能多，否则犬会认为即使找不到目标也可以获得奖励从而变得“敷衍了事”，造成工作的专注意识和积极性下降。为此，先减少一组测试中鉴别物的数量，在一次训练的3 组测试中，随机设置1 组空白训练。在空白训练时，犬没有对鉴别物反应，立即停止搜索并给予抚摸安抚奖励，逐步增加鉴别物的数量，直到与平时训练的数量一致为止。

（六）目标物数量随机条件下的训练

在一组测试中目标物数量随机，可能有多个目标物，可能没有目标物。首先，在已知目标物条件下进行训练，在10 个鉴别罐中放入2～3 个目标物，让犬逐个搜索。犬示警以后将目标物拿走，然后继续搜索，直到对所有鉴别罐逐个嗅认且不反应后，训练结束。其次，在未知条件下进行训练，让助训员随机放置目标物，让犬逐个嗅认。

三、试验结果

本次测试共使用肺癌样本42份，健康人样本150 份。结果显示，3头犬对肺癌的识别的灵敏度均达到90%以上，平均灵敏度和特异度分别达到了93.7%和97.6%，显著高于肺癌常规诊断所使用的影像学检查、病理检查、癌标志物检查等技术方法，表明使用该训练方法可以训练犬特异度识别肺癌气味（见表2）。

表2 3 头犬在随机条件下的鉴别肺癌气味的结果

四、补充与讨论

（一）配物的选择要符合“金标准”原则

所谓“金标准”即使用的目标物必须是已经确诊的癌症样本，而使用的配物是经过检验的健康样本。Cornu等人使用尿液样本评估了犬前列腺癌检测的效果，犬在33 例样本中正确地指定了30 例癌症样本。在3 例阴性样本中，一名患者通过重新活检确诊了前列腺癌。这说明了仅使用已确认准确的目标物或配物样本(即使用“金标准”原则)的重要性。使用错误分类的样本在训练中会使犬混淆预期目标气味。在实际训练过程中，虽然不能保证所有的配物都是非癌症样本，但是需要对采集对象有所区分，以尽可能减少配物对训练的干扰。

（二）训练过程规避系统性误差

用于训练和测试的样本气味误差是造成结果偏离或混淆的一个重要成分，因此必须给予足够的重视。样本气味的系统性误差来源比较广泛，其中最常见的是以下几个方面：首先是样本采集环境造成的系统误差，比如采集的肺癌患者样本大部分是在医院环境中完成的，而健康人的气味样本通常是在医院外采集的，那么医院环境中所特有的消毒液、药液等气味便会形成系统误差。其次是样本的存储环境造成的系统误差，目标物和配物存储的环境、使用的容器、保存的方法等不一致就会造成系统误差。最后是助训员的不当操作造成的系统误差，训练样本可能会被任何触碰过样本的人的人体气味所污染，助训员身上所特有的气味对样本也会造成污染，每次训练目标物放置的位置应该是随机的，不应该受助训员的偏好所影响。一旦造成系统误差，犬所感知的可能不再是目标物气味，而是系统性的差异气味，从而造成结果偏差。