訓練犬利用嗅覺進行疾病篩查的重點和難點

陳慧平 葛 崢 趙勤濤

張建華 蘆 帥 熊玉強

葛崢，江西省上饒市公安局特警支隊，334000；

趙勤濤，通信作者，公安部南昌警犬基地，江西省警犬良種繁育與行為科學重點實驗室，330100）

警犬鑒別的研究和使用為犬進行細小氣味篩查奠定了堅實的基礎。雖然隨著現代DNA技術、圖偵和大數據技術的發展，鑒別犬在公安工作中使用的頻率逐漸減少，但是犬進行細小氣味篩查在社會服務領域的作用越來越突出。例如2020年8月全球首批用于檢測新型冠狀病毒的嗅探犬在阿聯酋所有機場開始服役，在芬蘭的赫爾辛基萬塔機場也有部署，英國、法國等歐美國家相繼開展了犬進行新型冠狀病毒肺炎篩查的研究，法國警犬嗅探篩查新冠陽性準確率超90%。除此之外，研究還發現由于人體癌細胞代謝會分泌出特殊的揮發性有機物，這些有機物經過血液循環通過體液、尿液、糞便或呼出氣體排出體外。雖然現有的各類化學方法都很難精確地探測這些釋放物的具體成分，但經過訓練的犬可以憑借靈敏的嗅覺進行辨別。在肺癌上的研究顯示，犬檢測的靈敏度和特異度分別達到了95%和98%。同樣的，對胃癌、大腸癌、前列腺癌、糖尿病、肝炎等的研究也表明嗅探犬作為一種潛在的非侵入性的腫瘤篩查方法的巨大價值和意義。因此，探索研究犬進行疾病篩查的訓練方法具有重要的意義。

本文根據犬篩查肺癌氣味的訓練經驗、犬的行為發展規律及實際工作中發現的問題，結合前人在鑒別犬的訓練和使用方面的研究成果，從犬和嗅源的選擇、訓練進度安排、獎勵方法和測試方法等角度，對訓練犬進行疾病篩查的重點難點進行分析，以期為工作犬的研究工作提供參考。

一、選擇合適的受訓犬

選擇優秀的受訓犬是進行疾病篩查訓練的前提，犬種、膽量和興奮性是影響疾病篩查訓練的主要因素。通過對比馬里努阿犬和德國牧羊犬在進入形式的順利程度、嗅認的仔細度和篩查準確率方面的研究顯示，馬里努阿犬在進入形式順利程度方面優于德國牧羊犬，但嗅認的仔細程度和篩查的準確率均顯著低于德國牧羊犬。對德國牧羊犬和史賓格犬在氣味行為的研究發現史賓格的嗅嗅源能力極顯著低于德國牧羊犬，同時在示警延緩、嗅認的仔細程度方面也顯著低于德國牧羊犬。

膽量和興奮性也是影響疾病篩查準確率的重要因素，史賓格犬的膽量極顯著小于德國牧羊犬，興奮性卻極顯著地高于德國牧羊犬，膽量越小、興奮性越高的犬，越不利于保持長時間的示警延緩。膽量顯著影響嗅嗅源行為，膽量越大的犬，越敢于長時間嗅聞物品及可疑氣味。興奮性越大的犬，越難長時間坐立不動，因為犬的興奮性越大，越容易受到其他刺激的影響而分散注意力，因此應選擇膽量大、興奮性均衡的犬作為受訓犬，德國牧羊犬更適合用于疾病篩查訓練。

二、選擇恰當的嗅源

嗅源是影響犬進行疾病篩查訓練效果的另一個重要因素。對犬篩查癌癥氣味的研究發現，不同的嗅源對犬篩查準確率有著顯著影響，使用呼出氣體檢測肺癌的靈敏度和特異度在90%以上，但是使用尿液作為嗅源其靈敏度為60%～70%，而特異度只有20%～30%。對犬篩查卵巢癌的研究使用的嗅源是女性衛生巾，取得了積極效果。在犬嗅聞新型冠狀病毒的實踐中使用的嗅源分別是人體的腋下氣味提取物、活體、戴過的口罩或穿過的衣服等，雖然尚無報道說明使用不同的嗅源在檢測新型冠狀病毒肺炎準確率方面的差異，但暗示嗅源的選擇對于不同條件下臨床實踐的影響。有研究認為不同的疾病由于代謝機理不一致，代謝物質會在身體不同的部位進行富集，而篩查的準確率與嗅源氣味的大小有密切關系。比如肺部疾病使用呼出氣體比使用尿液、糞便或體液作為嗅源篩查的難度更低，而膀胱癌、前列腺癌使用尿液樣本作為嗅源可能更合適。因此訓練犬進行疾病篩查必須選擇合適的載體氣味作為嗅源。

三、注意規避目標物氣味的系統差異

目標物氣味的系統性差異會為犬的篩查作業提供“錯誤”線索。氣味的系統性差異通常是由以下幾方面的原因造成的。

一是環境氣味差異。犬篩查癌癥氣味的研究中發現，環境氣味可能會對犬篩查的準確率產生影響，因為癌癥患者的氣味樣本大部分是在醫院環境中采集的，而健康人群的配物樣本是在其他隨機環境或實驗室中采集的，醫院環境中的消毒液、空氣清新劑等氣味會干擾樣本氣味，從而形成目標物與配物氣味的系統性差異。

二是犬唾液或身體的氣味也是造成氣味系統性差異的一個主要原因。如果訓練中使用的是同一樣品和訓練器械，那么第二頭犬更容易在第一頭犬示警過的位置進行示警，首先是因為犬的體味非常大，其次因為在大量的訓練中，犬除了根據記憶的目標氣味線索以外，更容易發現的線索是目標物旁邊總有濃重的犬氣味，這就造成了訓練中配物和目標物之間的系統性差異，為犬提供了作業的“錯誤”線索。

三是樣本采集對象和保存時間的差異。研究顯示不同的年齡、性別、地域以及是否吸煙等都有可能造成樣本的系統性差異，老年人和年輕人、不同性別及不同地域的人的體味是不同的。樣品的保存時間也會造成系統差異，比如血液在4℃和-20℃均保存7d，以及在-20℃條件下保存7d和30d，樣本的組成成分和氣味是不一樣的。在訓練過程中要充分考慮各種因素對犬篩查氣味的影響，進行配平的訓練，以防止出現系統性差異。

四、否定式訓練是訓練的難點

否定式訓練也稱空白訓練，即在一次訓練中沒有目標氣味，犬不能對任何配物氣味反應。否定式訓練是犬篩查氣味必須要進行的訓練項目，也是訓練的難點。在公安工作中，鑒別犬是進行0和1的選擇，即在一組訓練中要么沒有目標物，要么只有1個目標物。在人類疾病氣味篩查工作中，犬進行的是0和N的選擇，即在一組訓練中要么沒有目標物，要么有1個或多個目標物，無論哪種應用場景都反映出否定式訓練的重要性。否定式訓練要把握以下幾個關鍵點：

一是少練。單獨的否定式訓練不宜過多，根據最適覓食理論，犬會在投資最小和收益最大的情況下改變覓食行為，否定式訓練過多，會造成犬作業敷衍，甚至錯誤地理解訓導員的意圖。

二是拒絕“強迫反應”。所謂“強迫反應”即在已知目標物存在的條件下強迫犬進行示警反應，在一次訓練中，訓導員即使知道目標物在樣本中，也不要強迫犬反復進行嗅聞，訓練中犬嗅聞兩遍以后，即使犬沒有示警反應，也要停止搜索行為及時將犬喚回，并給予安撫鼓勵。然后可以重新布設訓練條件，降低訓練難度，再進行訓練。

三是把握獎勵的度。否定式的訓練，犬不反應就是正確表現，要給予獎勵，在目標物存在的訓練中，犬不反應或錯誤反應都是錯誤的表現，此時既不能“強迫反應”，又要安撫鼓勵，在這兩種場景下的矛盾行為中要把握獎勵的度，“度”既要傳遞犬表現正確的獎勵信號，又要在犬錯誤表現的情況下安撫犬的情緒。

五、隨機目標物的訓練

隨機目標物訓練即在一次氣味篩查訓練中，樣本中可能有0個也可能有多個目標物。在一項模擬臨床使用場景的犬篩查肺癌氣味的研究中，使用隨機目標物（0～5個）進行測試發現，犬篩查的陽性預測值和陰性預測值只有30.9%和84%，顯著低于其他的研究結果。這一現象暗示未知條件下的隨機目標物訓練對犬氣味篩查準確性的重要影響。

隨機目標物訓練的優點在于將否定式訓練和日常的強化訓練充分結合，打破了以往必有1個或0個目標物的訓練模式，使犬必須做到對每個樣本做出“是”或“不是”的選擇。假如在已知條件下的6個樣本中含有1個目標物，那么剛開始犬對每個樣本偶然示警的概率是1/6。當第一個樣本被排除之后，那么犬對第二個樣本反應的概率上升為1/5，依此類推，犬對后面的樣本偶然示警的概率會越來越高，這樣的試驗設計，如果犬在前面錯誤地把目標物當作配物樣本，那么在氣味線終點，犬對非目標樣本出現錯誤示警的概率就會增加。如果在每一個測試中目標樣本是隨機的，或者沒有目標樣本，這樣就可以消除這個統計學問題，犬需要對每個樣本做出“是”或“不是”的選擇，犬對每個樣本反應的概率均為50%。

隨機目標物訓練常用的有2種訓練形式，其一是一次訓練中在犬示警反應1個樣本后，將犬喚回并將所示警反應的目標物移走，然后進行第二次搜索，依次類推，直到犬不再反應為止。其二是在一次訓練中，犬示警反應1個樣本后將該樣本移走，然后繼續嗅聞下一個，示警反應第2個樣本后同樣的將該樣本移走，依次類推，直到最后一遍對所有的樣本不再反應，再將犬喚回帶走。這兩種訓練形式具有本質的不同，第一種方法本質上是多次訓練，每次進入氣味篩查形式選擇1個或0個樣本作為目標物，第二種方法是一次訓練中多次示警反應。根據我們的應用實踐，第一種訓練方法容易造成假陽性或假陰性率的升高，推薦使用第二種訓練方法。

六、間歇獎勵以提高犬的穩定性

間歇獎勵即在多次訓練中，對犬正確的篩查行為有些給予獎勵，有些不給予獎勵。間歇獎勵是針對犬的應用場景而必須要進行的訓練，因為在應用場景下，訓導員不知道樣本中是否存在目標物，因此對于犬的示警結果是不能進行獎勵強化的。如果在已知條件下的日常訓練中，每次均對正確的篩查結果給予獎勵，而不正確的篩查結果不給予獎勵，那么在實際使用的未知條件下，一旦不給予獎勵將會造成犬的行為快速消退，從而嚴重影響篩查的準確率。除此之外，在實際的應用場景中，陽性率遠遠低于日常訓練條件下布設的陽性率，以嗅癌犬的訓練及應用為例，在日常訓練布設的條件下陽性率約為10%～20%，即在10個樣本中平均會放置1～2個目標物，而在實際應用中，中國人癌癥的發病率約為0.286%，即使對重點可疑群體進行檢測，其陽性率也難以達到10%，因此獎勵的比率向實際應用場景靠近。間歇獎勵要逐步引入，如果計劃10次正確示警給予1次獎勵，可能有些犬堅持不到第10次的訓練，因此應逐步減少獎勵的頻率。

七、未知條件下訓練鞏固犬的能力

只要訓導員知道樣本中目標物的位置和數量信息，就很有可能對犬造成暗示。研究人員對搜爆犬和訓導員曾進行了一項研究，在一系列的測試中沒有放置目標物，但在某些地點做了特殊的標記，其他地方則沒有，結果顯示犬更容易對標記的位置產生示警反應，這一結果證實訓導員對目標物位置的意念會對犬的感知和行為表現產生強大影響。作者在研究犬篩查肺癌氣味的研究中也發現，在已知條件下犬對確診樣本檢測的靈敏度和特異度顯著高于對未確診樣本的檢測結果，這一結果表明訓導員的心理狀態和肢體語言會影響犬的行為表現。經過幾萬年的自然選擇和人工選擇，犬對人類的理解已非常深刻，非常善于和人類進行交流，如手勢、身體方向、口令語氣、面目表情等，訓導員會在不知不覺當中為犬的篩查提供線索。

未知條件的訓練建議分兩步走，第一步是單盲條件下訓練，即助訓員清楚樣本的狀態而訓導員不知道樣本信息，助訓員與訓導員、助訓員與犬之間有效隔離以確保助訓員不會傳遞信息，當犬示警以后或作業完成以后，助訓員再及時告訴訓導員相關信息。第二步是雙盲條件下的訓練，即訓導員和助訓員提前均不知道樣本的信息，當犬作業完成以后再調查樣本的信息。雙盲訓練不僅考驗了訓導員的心理狀態、犬的作業能力，而且雙盲訓練更貼近使用場景，為犬的使用奠定良好的基礎。

八、大量的樣本是進行犬疾病篩查訓練的必要條件

大量的訓練樣本是訓練犬進行疾病篩查的必要條件，訓練犬篩查疾病陽性樣本實質上就是給犬一個泛化的概念。如果在訓練過程中反復出現一些樣本，犬在短時間內學會篩查樣本中的目標物并不困難，但不一定是因為它們的共同之處，或許是對氣味的簡單記憶，如果僅僅用十幾個樣本反復進行訓練，那么在測試過程中犬就不太可能對新奇的樣本氣味做出準確的反應。研究表明，使用一種TNT對犬進行訓練，訓練過程中表現出了較高的特異度，但是不能對其他類型的TNT產生反應。對犬氣味篩查來說，增加訓練樣本的豐富度，使其對目標氣味產生泛化，在眾多不同的復雜氣味分子中，勾勒出特異度的氣味圖像是非常重要的。雖然沒有研究報道犬氣味篩查訓練需要的最小樣本量，但是應提供盡可能多的訓練樣本。當樣本數量受到限制時，可以采用方法來訓練犬對目標物的概念：訓練時使用可用樣本的一部分，直到犬達到預定的性能標準或者性能無法再提高；引入新的陽性樣本和對照樣本，在對其訓練強化之前對其性能進行評估；如果性能表現比較低，那么將這些新樣本納入訓練樣本集，并重復這些步驟，直到對新的樣本也可以有較高的可信度為止。通過這種方法，定期地對犬氣味篩查概念的形成過程進行評估，并系統性地增加新的樣本到訓練中，這種方法所需要的樣本數量相對較小。