训练犬利用嗅觉进行疾病筛查的重点和难点

陈慧平 葛 峥 赵勤涛

张建华 芦 帅 熊玉强

葛峥，江西省上饶市公安局特警支队，334000；

赵勤涛，通信作者，公安部南昌警犬基地，江西省警犬良种繁育与行为科学重点实验室，330100）

警犬鉴别的研究和使用为犬进行细小气味筛查奠定了坚实的基础。虽然随着现代DNA技术、图侦和大数据技术的发展，鉴别犬在公安工作中使用的频率逐渐减少，但是犬进行细小气味筛查在社会服务领域的作用越来越突出。例如2020年8月全球首批用于检测新型冠状病毒的嗅探犬在阿联酋所有机场开始服役，在芬兰的赫尔辛基万塔机场也有部署，英国、法国等欧美国家相继开展了犬进行新型冠状病毒肺炎筛查的研究，法国警犬嗅探筛查新冠阳性准确率超90%。除此之外，研究还发现由于人体癌细胞代谢会分泌出特殊的挥发性有机物，这些有机物经过血液循环通过体液、尿液、粪便或呼出气体排出体外。虽然现有的各类化学方法都很难精确地探测这些释放物的具体成分，但经过训练的犬可以凭借灵敏的嗅觉进行辨别。在肺癌上的研究显示，犬检测的灵敏度和特异度分别达到了95%和98%。同样的，对胃癌、大肠癌、前列腺癌、糖尿病、肝炎等的研究也表明嗅探犬作为一种潜在的非侵入性的肿瘤筛查方法的巨大价值和意义。因此，探索研究犬进行疾病筛查的训练方法具有重要的意义。

本文根据犬筛查肺癌气味的训练经验、犬的行为发展规律及实际工作中发现的问题，结合前人在鉴别犬的训练和使用方面的研究成果，从犬和嗅源的选择、训练进度安排、奖励方法和测试方法等角度，对训练犬进行疾病筛查的重点难点进行分析，以期为工作犬的研究工作提供参考。

一、选择合适的受训犬

选择优秀的受训犬是进行疾病筛查训练的前提，犬种、胆量和兴奋性是影响疾病筛查训练的主要因素。通过对比马里努阿犬和德国牧羊犬在进入形式的顺利程度、嗅认的仔细度和筛查准确率方面的研究显示，马里努阿犬在进入形式顺利程度方面优于德国牧羊犬，但嗅认的仔细程度和筛查的准确率均显著低于德国牧羊犬。对德国牧羊犬和史宾格犬在气味行为的研究发现史宾格的嗅嗅源能力极显著低于德国牧羊犬，同时在示警延缓、嗅认的仔细程度方面也显著低于德国牧羊犬。

胆量和兴奋性也是影响疾病筛查准确率的重要因素，史宾格犬的胆量极显著小于德国牧羊犬，兴奋性却极显著地高于德国牧羊犬，胆量越小、兴奋性越高的犬，越不利于保持长时间的示警延缓。胆量显著影响嗅嗅源行为，胆量越大的犬，越敢于长时间嗅闻物品及可疑气味。兴奋性越大的犬，越难长时间坐立不动，因为犬的兴奋性越大，越容易受到其他刺激的影响而分散注意力，因此应选择胆量大、兴奋性均衡的犬作为受训犬，德国牧羊犬更适合用于疾病筛查训练。

二、选择恰当的嗅源

嗅源是影响犬进行疾病筛查训练效果的另一个重要因素。对犬筛查癌症气味的研究发现，不同的嗅源对犬筛查准确率有着显著影响，使用呼出气体检测肺癌的灵敏度和特异度在90%以上，但是使用尿液作为嗅源其灵敏度为60%～70%，而特异度只有20%～30%。对犬筛查卵巢癌的研究使用的嗅源是女性卫生巾，取得了积极效果。在犬嗅闻新型冠状病毒的实践中使用的嗅源分别是人体的腋下气味提取物、活体、戴过的口罩或穿过的衣服等，虽然尚无报道说明使用不同的嗅源在检测新型冠状病毒肺炎准确率方面的差异，但暗示嗅源的选择对于不同条件下临床实践的影响。有研究认为不同的疾病由于代谢机理不一致，代谢物质会在身体不同的部位进行富集，而筛查的准确率与嗅源气味的大小有密切关系。比如肺部疾病使用呼出气体比使用尿液、粪便或体液作为嗅源筛查的难度更低，而膀胱癌、前列腺癌使用尿液样本作为嗅源可能更合适。因此训练犬进行疾病筛查必须选择合适的载体气味作为嗅源。

三、注意规避目标物气味的系统差异

目标物气味的系统性差异会为犬的筛查作业提供“错误”线索。气味的系统性差异通常是由以下几方面的原因造成的。

一是环境气味差异。犬筛查癌症气味的研究中发现，环境气味可能会对犬筛查的准确率产生影响，因为癌症患者的气味样本大部分是在医院环境中采集的，而健康人群的配物样本是在其他随机环境或实验室中采集的，医院环境中的消毒液、空气清新剂等气味会干扰样本气味，从而形成目标物与配物气味的系统性差异。

二是犬唾液或身体的气味也是造成气味系统性差异的一个主要原因。如果训练中使用的是同一样品和训练器械，那么第二头犬更容易在第一头犬示警过的位置进行示警，首先是因为犬的体味非常大，其次因为在大量的训练中，犬除了根据记忆的目标气味线索以外，更容易发现的线索是目标物旁边总有浓重的犬气味，这就造成了训练中配物和目标物之间的系统性差异，为犬提供了作业的“错误”线索。

三是样本采集对象和保存时间的差异。研究显示不同的年龄、性别、地域以及是否吸烟等都有可能造成样本的系统性差异，老年人和年轻人、不同性别及不同地域的人的体味是不同的。样品的保存时间也会造成系统差异，比如血液在4℃和-20℃均保存7d，以及在-20℃条件下保存7d和30d，样本的组成成分和气味是不一样的。在训练过程中要充分考虑各种因素对犬筛查气味的影响，进行配平的训练，以防止出现系统性差异。

四、否定式训练是训练的难点

否定式训练也称空白训练，即在一次训练中没有目标气味，犬不能对任何配物气味反应。否定式训练是犬筛查气味必须要进行的训练项目，也是训练的难点。在公安工作中，鉴别犬是进行0和1的选择，即在一组训练中要么没有目标物，要么只有1个目标物。在人类疾病气味筛查工作中，犬进行的是0和N的选择，即在一组训练中要么没有目标物，要么有1个或多个目标物，无论哪种应用场景都反映出否定式训练的重要性。否定式训练要把握以下几个关键点：

一是少练。单独的否定式训练不宜过多，根据最适觅食理论，犬会在投资最小和收益最大的情况下改变觅食行为，否定式训练过多，会造成犬作业敷衍，甚至错误地理解训导员的意图。

二是拒绝“强迫反应”。所谓“强迫反应”即在已知目标物存在的条件下强迫犬进行示警反应，在一次训练中，训导员即使知道目标物在样本中，也不要强迫犬反复进行嗅闻，训练中犬嗅闻两遍以后，即使犬没有示警反应，也要停止搜索行为及时将犬唤回，并给予安抚鼓励。然后可以重新布设训练条件，降低训练难度，再进行训练。

三是把握奖励的度。否定式的训练，犬不反应就是正确表现，要给予奖励，在目标物存在的训练中，犬不反应或错误反应都是错误的表现，此时既不能“强迫反应”，又要安抚鼓励，在这两种场景下的矛盾行为中要把握奖励的度，“度”既要传递犬表现正确的奖励信号，又要在犬错误表现的情况下安抚犬的情绪。

五、随机目标物的训练

随机目标物训练即在一次气味筛查训练中，样本中可能有0个也可能有多个目标物。在一项模拟临床使用场景的犬筛查肺癌气味的研究中，使用随机目标物（0～5个）进行测试发现，犬筛查的阳性预测值和阴性预测值只有30.9%和84%，显著低于其他的研究结果。这一现象暗示未知条件下的随机目标物训练对犬气味筛查准确性的重要影响。

随机目标物训练的优点在于将否定式训练和日常的强化训练充分结合，打破了以往必有1个或0个目标物的训练模式，使犬必须做到对每个样本做出“是”或“不是”的选择。假如在已知条件下的6个样本中含有1个目标物，那么刚开始犬对每个样本偶然示警的概率是1/6。当第一个样本被排除之后，那么犬对第二个样本反应的概率上升为1/5，依此类推，犬对后面的样本偶然示警的概率会越来越高，这样的试验设计，如果犬在前面错误地把目标物当作配物样本，那么在气味线终点，犬对非目标样本出现错误示警的概率就会增加。如果在每一个测试中目标样本是随机的，或者没有目标样本，这样就可以消除这个统计学问题，犬需要对每个样本做出“是”或“不是”的选择，犬对每个样本反应的概率均为50%。

随机目标物训练常用的有2种训练形式，其一是一次训练中在犬示警反应1个样本后，将犬唤回并将所示警反应的目标物移走，然后进行第二次搜索，依次类推，直到犬不再反应为止。其二是在一次训练中，犬示警反应1个样本后将该样本移走，然后继续嗅闻下一个，示警反应第2个样本后同样的将该样本移走，依次类推，直到最后一遍对所有的样本不再反应，再将犬唤回带走。这两种训练形式具有本质的不同，第一种方法本质上是多次训练，每次进入气味筛查形式选择1个或0个样本作为目标物，第二种方法是一次训练中多次示警反应。根据我们的应用实践，第一种训练方法容易造成假阳性或假阴性率的升高，推荐使用第二种训练方法。

六、间歇奖励以提高犬的稳定性

间歇奖励即在多次训练中，对犬正确的筛查行为有些给予奖励，有些不给予奖励。间歇奖励是针对犬的应用场景而必须要进行的训练，因为在应用场景下，训导员不知道样本中是否存在目标物，因此对于犬的示警结果是不能进行奖励强化的。如果在已知条件下的日常训练中，每次均对正确的筛查结果给予奖励，而不正确的筛查结果不给予奖励，那么在实际使用的未知条件下，一旦不给予奖励将会造成犬的行为快速消退，从而严重影响筛查的准确率。除此之外，在实际的应用场景中，阳性率远远低于日常训练条件下布设的阳性率，以嗅癌犬的训练及应用为例，在日常训练布设的条件下阳性率约为10%～20%，即在10个样本中平均会放置1～2个目标物，而在实际应用中，中国人癌症的发病率约为0.286%，即使对重点可疑群体进行检测，其阳性率也难以达到10%，因此奖励的比率向实际应用场景靠近。间歇奖励要逐步引入，如果计划10次正确示警给予1次奖励，可能有些犬坚持不到第10次的训练，因此应逐步减少奖励的频率。

七、未知条件下训练巩固犬的能力

只要训导员知道样本中目标物的位置和数量信息，就很有可能对犬造成暗示。研究人员对搜爆犬和训导员曾进行了一项研究，在一系列的测试中没有放置目标物，但在某些地点做了特殊的标记，其他地方则没有，结果显示犬更容易对标记的位置产生示警反应，这一结果证实训导员对目标物位置的意念会对犬的感知和行为表现产生强大影响。作者在研究犬筛查肺癌气味的研究中也发现，在已知条件下犬对确诊样本检测的灵敏度和特异度显著高于对未确诊样本的检测结果，这一结果表明训导员的心理状态和肢体语言会影响犬的行为表现。经过几万年的自然选择和人工选择，犬对人类的理解已非常深刻，非常善于和人类进行交流，如手势、身体方向、口令语气、面目表情等，训导员会在不知不觉当中为犬的筛查提供线索。

未知条件的训练建议分两步走，第一步是单盲条件下训练，即助训员清楚样本的状态而训导员不知道样本信息，助训员与训导员、助训员与犬之间有效隔离以确保助训员不会传递信息，当犬示警以后或作业完成以后，助训员再及时告诉训导员相关信息。第二步是双盲条件下的训练，即训导员和助训员提前均不知道样本的信息，当犬作业完成以后再调查样本的信息。双盲训练不仅考验了训导员的心理状态、犬的作业能力，而且双盲训练更贴近使用场景，为犬的使用奠定良好的基础。

八、大量的样本是进行犬疾病筛查训练的必要条件

大量的训练样本是训练犬进行疾病筛查的必要条件，训练犬筛查疾病阳性样本实质上就是给犬一个泛化的概念。如果在训练过程中反复出现一些样本，犬在短时间内学会筛查样本中的目标物并不困难，但不一定是因为它们的共同之处，或许是对气味的简单记忆，如果仅仅用十几个样本反复进行训练，那么在测试过程中犬就不太可能对新奇的样本气味做出准确的反应。研究表明，使用一种TNT对犬进行训练，训练过程中表现出了较高的特异度，但是不能对其他类型的TNT产生反应。对犬气味筛查来说，增加训练样本的丰富度，使其对目标气味产生泛化，在众多不同的复杂气味分子中，勾勒出特异度的气味图像是非常重要的。虽然没有研究报道犬气味筛查训练需要的最小样本量，但是应提供尽可能多的训练样本。当样本数量受到限制时，可以采用方法来训练犬对目标物的概念：训练时使用可用样本的一部分，直到犬达到预定的性能标准或者性能无法再提高；引入新的阳性样本和对照样本，在对其训练强化之前对其性能进行评估；如果性能表现比较低，那么将这些新样本纳入训练样本集，并重复这些步骤，直到对新的样本也可以有较高的可信度为止。通过这种方法，定期地对犬气味筛查概念的形成过程进行评估，并系统性地增加新的样本到训练中，这种方法所需要的样本数量相对较小。