How to train dogs to detect cows in heat by smell: Lessons learned by training scent detection dogs

Abstract

The overall objectives of this thesis were to develop a specific training protocol for training dogs to identify cows in estrus under practical conditions and to identify steps in the procedure of scent detection dog training and testing that can eventually bias the study outcome. My first study revealed multiple differences in methodology and a high variability of the results of 14 studies on training and testing scent detection dogs recruited in a systematic literature research. For evaluation of the studies a check list detailing relevant information about the study design and the training and testing process was used. For the experimental part of this study seven dogs were trained to indicate black tea as target scent in two different testing systems, a testing platform and a scent detection board, and against two different types of negative samples, tap water and smelling distractions. We could achieve a high sensitivity (92.1%) and specificity (97.4%). There was no difference of performance in the two testing systems. Quality of negative samples had no influence on the results. In the second study six dogs were trained for heat detection in dairy cows. A specific training protocol was developed for training dogs to identify cows in estrus from the feed alley. Four of those dogs participated in the final test after an average training time of 50 h per dog. Finally the dogs overall correctly identified positive cows as being positive in 23 out of 32 cases (i.e. sensitivity of 71.9%) and falsely classified positive cows as being negative in nine cases (28.1% type II errors). Out of 128 cases 119 were correctly classified as true negative cows (i.e. specificity of 93.0%) and in nine cases negative cows were falsely identified as positive cows (7.0% type I errors). To process lessons we learned from the first and the second study, we wanted to identify factors in the procedure of dog training and testing that can eventually bias the study outcome. Therefore we performed a systematic literature research and systematic assessment. The objective was to evaluate publications on scent dog studies. Finally I wanted to summarize this information to recommend a best practice standard for scent dog studies. A total of 54 studies could be included for final evaluation. We were able to identify the target odour, the type of scent detection task and experimental set-up, the samples used for training and testing, the test design, the dog trainer and training procedure chosen and the used dog breeds as factors potentially influencing the outcome of scent detection studies with trained dogs. With these findings a best practice standard was recommended. We were able to show that trained dogs can detect cows in estrus on farm with better sensitivity and specificity than is often obtained by conventional heat detection methods. Further research is warranted to develop an optimized training plan that allows training estrus detection dogs for practical use within an appropriate time and to assure a certain sensitivity and specificity in working estrus detection dogs over time. The use of dogs as a diagnostic tool for medical and biological applications is becoming increasingly important. It is mandatory, however, to follow standardized test protocols for scent detection dogs to allow valid comparisons of results. We recommend the application of the best practice standards to reduce possible bias in training and testing scent detection dogs as far as possible.

Ziel dieser Arbeit war es, wissenschafts-basiert ein spezifisches Protokoll für das Training von Spürhunden für brünstige Kühe unter Praxisbedingungen zu entwickeln. Zudem sollten diejenigen Faktoren innerhalb des Trainings- und Testprozesses von Spürhunden identifiziert werden, die letztendlich zu systematischen Fehlern in Studienergebnissen führen können. In meiner ersten Studie wurden Unterschiede hinsichtlich der verwendeten Methodik und eine hohe Variabilität der Ergebnisse von 14 Studien zum Thema Training und Testen von Spürhunden offenbart, die im Rahmen einer systematischen Literaturrecherche ausgewählt wurden. Um die Studien auszuwerten, wurde eine Checkliste verwendet, mit deren Hilfe relevante Informationen hinsichtlich des Studiendesigns sowie des Trainings- und Testprozesses abgefragt wurden. Im experimentellen Teil der Studie wurden sieben Hunde trainiert, schwarzen Tee als Zielgeruch anzuzeigen. Mit einer Testplattform und einer Geruchsstrecke wurden zwei unterschiedliche Testsysteme verwenden sowie gegen zwei verschiede Arten von Negativproben diskriminiert, namentlich klares Wasser sowie Verleitgerüche. Es konnten eine hohe Sensitivität (92,1%) sowie Spezifität (97.4%) erreicht werden. Die Leistung der Hunde unterschied sich statistisch nicht zwischen den beiden Testsystemen. Die Art der verwendeten Negativproben hatte ebenfalls keinen Einfluss auf das Ergebnis. Im Rahmen meiner zweiten Studie wurden sechs Hunde trainiert, brünstige Milchkühe am Geruch zu erkennen und anzuzeigen. Es wurde ein spezifisches Trainingsprotokoll entwickelt, das ein Training der Hunde für eine Suche vom Futtertisch aus ermöglichte. Vier der Hunde nahmen nach einer durchschnittlichen Trainingszeit von 50 h pro Hund an einem abschließenden Test teil. In diesem identifizierten die Hunde brünstige Kühe in 23 von 32 Fällen korrekt als brünstig (Sensitivität von 71,9%) und klassifizierten brünstige Kühe fälschlicherweise in neun Fällen als nicht-brünstig (28,1% Fehler II. Art). Von 128 nicht-brünstigen Kühen wurden 119 korrekt als nicht-brünstig klassifiziert (Spezifität von 93,0%), währen in neun Fällen nicht-brünstige Kühe fälschlicherweise als brünstig identifiziert wurden (7,0% Fehler I. Art). Um während der Durchführung der ersten und zweiten Studie gemachte Erfahrungen zu verarbeiten, sollten diejenigen Faktoren innerhalb des Trainings- und Testprozesses von Spürhunden identifiziert werden, die letztendlich zu systematischen Fehlern in Studienergebnissen führen können. Daher wurde eine Literaturrecherche und systematische Auswertung mit dem Ziel durchgeführt, Veröffentlichungen von Studien mit Spürhunden auszuwerten, um einen Best-Practice-Standard für das Durchführen solcher Studien zu empfehlen. Insgesamt konnten 54 Studien in die Auswertung einbezogen werden. Als Faktoren, die möglicherweise Auswirkungen auf das Ergebnis von Studien mit Spürhunden haben können, wurden der Zielgeruch, die Art der gestellten Geruchsaufgabe sowie der Versuchsaufbau, die für Training und Test verwendeten Geruchsproben, das Testdesign, der Hundetrainer, die verwendete Trainingsmethode sowie die verwendeten Hunderassen identifiziert. Mit diesen Ergebnissen wurde ein Best-Practice -Standard empfohlen. Es konnte gezeigt werden, dass trainierte Hunde brünstige Kühe auf einem landwirtschaftlichen Betrieb mit besserer Sensitivität und Spezifität anzeigen können, als in der Regel mit konventionellen Brunstbeobachtungsmethoden erreicht werden. Die Erforschung weiterer Lösungsansätze ist notwendig, um einen optimierten Trainingsplan zu entwickeln, der das Training von Brunstsuchhunden für den praktischen Einsatz innerhalb einer angemessenen Zeit und mit konstanter Zuverlässigkeit erlaubt. Die Bedeutung von Hunden als Diagnostikum in Gebieten der Medizin und Biologie nimmt mehr und mehr zu. In jedem Fall müssen bei der Arbeit mit Spürhunden standardisierte Testcharakteristika eingehalten werden, um gültige und vergleichbare Ergebnisse zu erhalten. Wir empfehlen die Anwendung der Best- Practice-Standards, um systematische Fehler beim Training und Testen von Spürhunden so weit wie möglich zu reduzieren.