犬識(shí)別肺癌氣味的訓(xùn)練方法及其效果分析

熊玉強(qiáng) 趙勤濤 蘆 帥 于 毅 張建華 毛嘉禾

犬發(fā)達(dá)的嗅覺在社會(huì)實(shí)踐中不斷被發(fā)掘利用，尤其是在緝毒、搜爆、血跡搜索等公安工作中發(fā)揮了巨大作用。近十年來，用犬進(jìn)行人類癌癥篩查被認(rèn)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(xùn)練方法，檢驗(yàn)犬識(shí)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(yàn)對(duì)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(guó)牧羊犬作為訓(xùn)練用犬，使用響片正強(qiáng)化的方法經(jīng)過3 個(gè)月的不同階段的訓(xùn)練后進(jìn)行訓(xùn)練效果測(cè)試。測(cè)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(jī)樣本測(cè)試的方法檢測(cè)了3 頭犬對(duì)肺癌氣味檢測(cè)的靈敏度和特異度。結(jié)果顯示：3 頭犬對(duì)肺癌識(shí)別的靈敏度均達(dá)到90%以上，平均靈敏度和特異度分別達(dá)到了93.7%和97.6%，顯著高于肺癌常規(guī)診斷所使用的影像學(xué)檢查、病理檢查、癌標(biāo)志物檢查等技術(shù)方法，表明使用該訓(xùn)練方法可以訓(xùn)練犬特異度識(shí)別肺癌氣味。

由于不同部位癌細(xì)胞的作用機(jī)制的不同，不同類型的癌細(xì)胞的選擇性表達(dá)或者過表達(dá)，可以產(chǎn)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(xì)胞代謝的化合物釋放到血液中，再經(jīng)過尿液、糞便、汗液以及呼出氣體等途徑釋放到空氣中，現(xiàn)有的各類化學(xué)方法都很難精確地探測(cè)這些釋放物，而通過犬的靈敏嗅覺卻可以識(shí)別出來，使用訓(xùn)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(shí)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(jié)果之間表現(xiàn)出了較大的差異，對(duì)比使用呼出氣體作為嗅源的犬嗅診肺癌的研究發(fā)現(xiàn)，其靈敏度界于30%～99%之間，這一結(jié)果暗示犬的訓(xùn)練方法可能是影響檢測(cè)結(jié)果的一個(gè)重要因素，而目前尚未有文獻(xiàn)提供關(guān)于嗅癌犬翔實(shí)的訓(xùn)練方法及其訓(xùn)練效果的研究。本文以肺癌患者為研究對(duì)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(xùn)練方法，使用3 頭犬經(jīng)過2 個(gè)月的摸索訓(xùn)練，詳細(xì)歸納總結(jié)了嗅癌犬的訓(xùn)練方法，并對(duì)該方法的效果進(jìn)行分析，以期為其他犬的氣味訓(xùn)練提供參考。

一、試驗(yàn)材料和方法

（一）試驗(yàn)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(guó)牧羊犬作為訓(xùn)練用犬，其中馬里努阿犬分別編號(hào)為1 號(hào)犬、2 號(hào)犬，德國(guó)牧羊犬編號(hào)為3號(hào)犬，1號(hào)犬和2號(hào)犬曾進(jìn)行過3個(gè)月的搜爆訓(xùn)練，3 號(hào)犬沒有進(jìn)行過專業(yè)科目訓(xùn)練。

（二）試驗(yàn)對(duì)象

以肺癌患者為研究對(duì)象，以紗布吸附的人呼出氣體作為犬的嗅源。本試驗(yàn)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(jì)360 份。為了盡量避免在健康人的對(duì)照樣本中隱含肺癌氣味樣本，根據(jù)2015 年中國(guó)惡性腫瘤流行情況分析報(bào)告，本試驗(yàn)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?jí)K放入口罩中，把紗布對(duì)準(zhǔn)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(chǎn)；吸附呼出氣體氣味所使用的紗布（規(guī)格7.5×7.5cm）由紹興振德醫(yī)用敷料有限公司生產(chǎn)；比克曼生物提供的無菌采樣袋；口罩使用的是江西國(guó)康實(shí)業(yè)有限公司生產(chǎn)的單個(gè)裝醫(yī)用無菌外科口罩。

（四）測(cè)試方法

本試驗(yàn)的測(cè)試采用“雙盲法”進(jìn)行，共測(cè)試24 次，每天6 次。測(cè)試所使用的樣本均是未使用過的新采集的樣本，使用8 個(gè)鑒別罐呈直線形排列。

二、嗅癌犬的訓(xùn)練方法

（一）嗅癌犬前期能力的培養(yǎng)

嗅癌犬前期能力的培養(yǎng)主要包括以下幾個(gè)方面：食物動(dòng)力、獵取動(dòng)力、搜索能力和示警形式。食物動(dòng)力是犬為了獲得生存和生長(zhǎng)發(fā)育的食物需要而完成一種任務(wù)的內(nèi)驅(qū)力，獵取動(dòng)力是指犬先天遺傳的捕獲獵物的本能活動(dòng)，是食物動(dòng)力的外延和發(fā)展。這兩種動(dòng)力是嗅癌犬訓(xùn)練的基礎(chǔ)和前提，動(dòng)力越強(qiáng)，犬的注意力和專注意識(shí)才越好，搜索的積極性和主動(dòng)性才能充分調(diào)動(dòng)起來，正確的行為表現(xiàn)所受到的獎(jiǎng)勵(lì)對(duì)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(yǎng)過程中，對(duì)犬進(jìn)行了多種搜索形式的訓(xùn)練，通過尋找物品來強(qiáng)化犬對(duì)一般場(chǎng)地、鑒別平臺(tái)、鑒別罐等形式的理解，培養(yǎng)犬能在訓(xùn)導(dǎo)員引導(dǎo)下進(jìn)行有序的搜索作業(yè)。嗅癌犬訓(xùn)練是一個(gè)氣味識(shí)別和分化的訓(xùn)練過程，不僅考驗(yàn)犬對(duì)氣味的感知能力，還考驗(yàn)了犬從復(fù)雜氣味中分化出特殊氣味的能力，通過隱蔽式銜取培養(yǎng)犬使用鼻子作業(yè)的習(xí)慣，將訓(xùn)導(dǎo)員摸過的石頭丟進(jìn)石頭堆里，讓犬去學(xué)習(xí)分化訓(xùn)導(dǎo)員的氣味等各種方法培養(yǎng)犬的嗅覺能力。

示警形式是犬搜索到目標(biāo)物的一種規(guī)范的反應(yīng)形式。在警犬的訓(xùn)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(xì)微的特殊氣味，沒有良好的示警形式會(huì)使犬在搜索過程中破壞或者污染訓(xùn)練氣味，甚至?xí)霈F(xiàn)“扒”“舔”“拱”等行為，不利于犬對(duì)細(xì)微氣味建立聯(lián)系。

（二）犬對(duì)肺癌氣味的記憶訓(xùn)練

根據(jù)癌癥氣味是一種微小混合氣味的特點(diǎn)和犬的作業(yè)習(xí)慣，本研究將多孔空心磚和鑒別罐作為訓(xùn)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(gè)空心磚或鑒別罐中，氣味會(huì)在磚孔中和鑒別罐中富集，當(dāng)犬感受到磚孔中的新異氣味進(jìn)行探求時(shí)，按下響片并給予食物獎(jiǎng)勵(lì)，及時(shí)強(qiáng)化犬的探求反應(yīng)。如此重復(fù)多次，然后將放有癌癥氣味的空心磚放入事先準(zhǔn)備好的多塊磚的搜索形式中，牽引犬進(jìn)行搜索，當(dāng)犬對(duì)目標(biāo)氣味探求并示警后，給予獎(jiǎng)勵(lì)，如此重復(fù)多次。每天不宜進(jìn)行過多的訓(xùn)練，建議每天訓(xùn)練1～2 次，每次搜索2～3 遍即可（見圖1）。

圖1

（三）犬從簡(jiǎn)單氣味中分化肺癌氣味的訓(xùn)練

當(dāng)犬具備一定的氣味聯(lián)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(biāo)物，以同種類的干凈紗布為配物進(jìn)行分化訓(xùn)練。按照“由簡(jiǎn)入繁”的原則，先使用1 個(gè)目標(biāo)物和2 個(gè)配物進(jìn)行訓(xùn)練，讓犬從較少的選擇當(dāng)中識(shí)別目標(biāo)物，然后逐步增加配物的數(shù)量，直到犬能在8 個(gè)左右的配物中識(shí)別目標(biāo)物的正確率達(dá)到100%為止。

（四）犬從復(fù)雜人體氣味中分化肺癌氣味的訓(xùn)練

當(dāng)犬對(duì)癌癥氣味形成記憶以后，進(jìn)入到人體氣味的分化訓(xùn)練階段，這一階段是犬進(jìn)行氣味分化的關(guān)鍵階段。有研究認(rèn)為吸煙、飲食和環(huán)境因素造成的系統(tǒng)差異會(huì)對(duì)犬檢測(cè)肺癌的特異度和靈敏度造成影響。因此該階段的訓(xùn)練不僅要考慮到樣本提供者的地域、飲食、酗酒、吸煙等個(gè)人氣味差異，還要考慮到采樣環(huán)境造成的系統(tǒng)性氣味差異。本研究將該階段的訓(xùn)練分為以下幾步進(jìn)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(yī)院環(huán)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(gè)飯前不吸煙的樣本作為配物和1 個(gè)目標(biāo)物分別放在3 個(gè)鑒別罐中，另設(shè)置與目標(biāo)物相同的氣味樣本放入另一個(gè)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(gè)鑒別罐中的目標(biāo)氣味，犬準(zhǔn)確示警后給予獎(jiǎng)勵(lì)，如此反復(fù)多次訓(xùn)練。當(dāng)犬能明白訓(xùn)導(dǎo)員的意圖后，將配物的數(shù)量增加，直到犬能穩(wěn)定準(zhǔn)確示警為止。

3.逐步引入復(fù)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(yī)院環(huán)境等不同條件下的氣味引入配物當(dāng)中，重復(fù)第2 步的訓(xùn)練方法，訓(xùn)練犬在復(fù)雜的人體氣味當(dāng)中分化癌癥患者所特有的氣味。

4.調(diào)整嗅源和目標(biāo)物氣味。使用與搜索形式中目標(biāo)物氣味不同的肺癌患者氣味作為嗅源，重復(fù)第2 步的訓(xùn)練方法，讓犬在不同的肺癌樣本中找出共性。

5.去掉嗅源。訓(xùn)練犬在沒有嗅源氣味條件下，直接搜索目標(biāo)物的能力。使用8 個(gè)鑒別罐，7 個(gè)鑒別罐中放入各種條件下的配物氣味，1 個(gè)放入肺癌氣味進(jìn)行搜索訓(xùn)練。按照上述步驟持續(xù)訓(xùn)練約1 周時(shí)間（見圖2）。

6.雙盲測(cè)試。在未知條件下，測(cè)試犬在不同配物氣味環(huán)境中，識(shí)別癌癥氣味的靈敏度和特異度。按照上述第5 步的方法進(jìn)行雙盲測(cè)試，每頭犬的測(cè)試次數(shù)不低于24 次，靈敏度和其特異度均達(dá)到90%以上后，再進(jìn)行接下來的訓(xùn)練。

圖2

（五）空白訓(xùn)練

空白訓(xùn)練也稱否定式訓(xùn)練，即在一組測(cè)試中沒有目標(biāo)物，犬不能對(duì)其中任何一個(gè)樣本反應(yīng)?？瞻子?xùn)練是嗅癌犬訓(xùn)練中的一個(gè)難點(diǎn)，首先是因?yàn)樵谇捌诘挠?xùn)練過程中一次訓(xùn)練必有1 個(gè)目標(biāo)物，犬已經(jīng)對(duì)這種形式形成記憶，當(dāng)沒有目標(biāo)物存在時(shí)，犬會(huì)反復(fù)進(jìn)行搜索，為了獲得獎(jiǎng)勵(lì)，有可能會(huì)對(duì)配物氣味產(chǎn)生反應(yīng)。其次，空白訓(xùn)練的頻率不能多，否則犬會(huì)認(rèn)為即使找不到目標(biāo)也可以獲得獎(jiǎng)勵(lì)從而變得“敷衍了事”，造成工作的專注意識(shí)和積極性下降。為此，先減少一組測(cè)試中鑒別物的數(shù)量，在一次訓(xùn)練的3 組測(cè)試中，隨機(jī)設(shè)置1 組空白訓(xùn)練。在空白訓(xùn)練時(shí)，犬沒有對(duì)鑒別物反應(yīng)，立即停止搜索并給予撫摸安撫獎(jiǎng)勵(lì)，逐步增加鑒別物的數(shù)量，直到與平時(shí)訓(xùn)練的數(shù)量一致為止。

（六）目標(biāo)物數(shù)量隨機(jī)條件下的訓(xùn)練

在一組測(cè)試中目標(biāo)物數(shù)量隨機(jī)，可能有多個(gè)目標(biāo)物，可能沒有目標(biāo)物。首先，在已知目標(biāo)物條件下進(jìn)行訓(xùn)練，在10 個(gè)鑒別罐中放入2～3 個(gè)目標(biāo)物，讓犬逐個(gè)搜索。犬示警以后將目標(biāo)物拿走，然后繼續(xù)搜索，直到對(duì)所有鑒別罐逐個(gè)嗅認(rèn)且不反應(yīng)后，訓(xùn)練結(jié)束。其次，在未知條件下進(jìn)行訓(xùn)練，讓助訓(xùn)員隨機(jī)放置目標(biāo)物，讓犬逐個(gè)嗅認(rèn)。

三、試驗(yàn)結(jié)果

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

表2 3 頭犬在隨機(jī)條件下的鑒別肺癌氣味的結(jié)果

四、補(bǔ)充與討論

（一）配物的選擇要符合“金標(biāo)準(zhǔn)”原則

所謂“金標(biāo)準(zhǔn)”即使用的目標(biāo)物必須是已經(jīng)確診的癌癥樣本，而使用的配物是經(jīng)過檢驗(yàn)的健康樣本。Cornu等人使用尿液樣本評(píng)估了犬前列腺癌檢測(cè)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(rèn)準(zhǔn)確的目標(biāo)物或配物樣本(即使用“金標(biāo)準(zhǔn)”原則)的重要性。使用錯(cuò)誤分類的樣本在訓(xùn)練中會(huì)使犬混淆預(yù)期目標(biāo)氣味。在實(shí)際訓(xùn)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(duì)采集對(duì)象有所區(qū)分，以盡可能減少配物對(duì)訓(xùn)練的干擾。

（二）訓(xùn)練過程規(guī)避系統(tǒng)性誤差

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