Skip to main content

Currently Skimming:

3 New and Emerging Methods, Approaches, and Technologies for Detecting Pain and Its Causes
Pages 46-73

The Chapter Skim interface presents what we've algorithmically identified as the most significant single chunk of text within every page in the chapter.
Select key terms on the right to highlight them within pages of the chapter.


From page 46...
... 3    New and Emerging Methods, Approaches,   and Technologies for Detecting Pain and Its Causes    This  chapter  addresses  the  committee's  task  to  identify  potential  new  and  emerging  methods,   approaches, and technologies for detecting hoof and pastern pain and its causes (see Chapter 1, Box 1‐3  for the full statement of task) . This chapter begins with a discussion of factors that affect pain perception  and the expression of pain. This is followed by a review of pain detection methods and technologies based  on horse behavior and physiological parameters and a discussion of how these methods could be used to  improve the detection of soreness in horses during inspections for compliance with the Horse Protection  Act (HPA)
From page 47...
... New and Emerging Methods, Approaches, and Technologies for Detecting Pain and Its Causes  Context and Environment    Situational factors can facilitate or inhibit pain expression and thus contribute to scoring and decision  errors during an evaluation for pain. The modulation of pain behavior by environmental stressors, distrac‐ tions, other sources of pain, and habituation is discussed below.    Stressors    Pain and stress are closely related but operationally distinct constructs. Pain is one type of stress  that threatens homeostasis, but not every stressor is painful. Behavioral responses to pain may be similar  to and confounded with responses to other causes of distress (Rietmann et al., 2004) . To accurately assess  pain  and  avoid  confounding  pain  and  stress  responses,  pain  assessment  procedures  are  typically  con‐ ducted in an environment with as few extraneous stressors as possible. For example, in scoring a horse's  facial expression of pain using the Horse Grimace Scale (HGS)
From page 48...
... A Review of Methods for Detecting Soreness in Horses  startled by an umbrella opening (the fear condition)  trended to score higher on two of six facial indicators,  "ears  held  stiffly  backward"  and  "prominent  chewing  muscles."  On  the  basis  of  these  findings  the  re‐ searchers concluded that the assessment tool was a specific indicator of pain. Further discriminant vali‐ dation research of this sort is needed to distinguish pain from other sources of stress in horses.    Distractions    Horses are inspected for violations of the Horse Protection Regulations at show grounds which have  a wide range of environmental distractions, including other horses, exhibitors and spectators, and noises.  To reduce distractions, 9 C.F. R. § 11.5(a)
From page 49...
... New and Emerging Methods, Approaches, and Technologies for Detecting Pain and Its Causes  whips, cigarette smoke, or other actions or paraphernalia are used to distract a horse during  examination.    Distractions created by horse custodians can contribute to unexplained variance in pain assessment  during an inspection and across inspectors. The committee's observation of 61 inspection videos revealed  that many exhibitors adhered to Horse Protection Regulations when holding a horse for inspection, but  others did not. Horse custodians inadvertently or intentionally held reins closer than 18 inches from the  bit shank, touched the horse or the bit, held the reins taut (in some cases above the level of the horse's  mouth) , jiggled or jerked on the reins, and stood in front of the horse in a dominant stance. The custodian  may have been trying to control or correct an unruly horse, but these distractions can draw the horse's  attention away from the digital palpation; a shift in attention has been shown to suppress pain expression  (Hoegh et al., 2019; Torcivia and McDonnell, 2020)
From page 50...
... A Review of Methods for Detecting Soreness in Horses  generally have high thresholds that are only activated by intense stimuli, but tissue injury and peripheral  sensitization result in a decreased pain threshold. Thus, digital palpation of a painful area of the pastern  could elicit a withdrawal response over a broad area.     Individual Differences    Horses differ in their sensitivity and response to pain due to differences in genetics, personality, past  experiences, and training history. Individual differences result in variations between horses and can help  explain why some sored horses, as determined by physical evidence such as a violation of the scar rule or  inflammation that is apparent with thermography, may not display pain behaviors. Individual differences  in sensitivity, coping style, and training history and their potential effect on pain behavior are described  below.    Pain Sensitivity    Some individuals are inherently more responsive to pain induced by a stimulus than others because  of genetically based differences in nociceptor sensitivity and activity. Previous painful insults can also have  long‐lasting effects on nociceptor sensitivity. Research on the development of chronic pain has provided  information about the neuroplasticity of pain. For example, repeated injury can exacerbate a painful stim‐ ulus and experience through an increase in the number and activity of pain receptors (Woolf, 1989) . This  can lead to hyperalgesic priming, which is an increased sensitivity to subthreshold stimuli, and in extreme  cases to allodynia, where pain is caused by a stimulus that does not normally elicit pain, such as the light  touch of clothes on sunburned skin (Latremoliere and Woolf, 2009)
From page 51...
... New and Emerging Methods, Approaches, and Technologies for Detecting Pain and Its Causes  training history. In one study, compliance, as measured by latency to cross a tarp or walk through stream‐ ers, did not correlate with physiological indicators of stress, including heart rate variability, infrared eye  temperature, and core body temperature (Squibb et al., 2018) . The researchers hypothesized that com‐ pliance (such as standing still and following)
From page 52...
... A Review of Methods for Detecting Soreness in Horses  with laminitis (van Loon and Van Dierendonck, 2019) . In addition, clinical scales are expected to be used  by a large number of raters; inter‐rater agreement, and thus the validity of the assessment method, is  ensured through standardized training and consistent application across raters. Uncontrolled extraneous  factors can also introduce error into the assessment. Some behaviors are robust against, and others more  easily  modulated  by,  extraneous  variables.  Pain  behavior  can  be  inhibited  or  facilitated  by  extraneous  variables. Factors that influence variability in the expression of pain are discussed below.   As Sator‐Katzenschlager (2014)
From page 53...
... New and Emerging Methods, Approaches, and Technologies for Detecting Pain and Its Causes  BEHAVIORAL ASSESSMENT OF PAIN     The goal of inspections is, as described in Chapter 1 of this report, to examine a horse to determine  compliance with or violation of the HPA. Designated qualified persons (DQPs)  and, less often, veterinary  medical officers (VMOs)
From page 54...
... A Review of Methods for Detecting Soreness in Horses  the tools' clinical application (de Grauw and van Loon, 2016) . Pain assessment conducted in the field tends  to employ scales that are simpler, take less time to complete and score, and yield rapid results. These  features facilitate diagnosis and treatment in real‐life conditions and when time is limited.  The development of clinical scales for assessing pain in animals lags behind, but parallels, the develop‐ ment of these scales in humans. Pain assessment in infants (Riddell et al., 2013)
From page 55...
... New and Emerging Methods, Approaches, and Technologies for Detecting Pain and Its Causes  TABLE 3‐1 Score Sheet for the EQUUS‐COMPASS Composite Pain Scale   Data  Categories  Score  Physiological data      Heart rate  24–44 beats/min  0    45–52 beats/min  1    53–60 beats/min  2    >60 beats/min  3  Respiratory rate  8–13 breaths/min  0    14–16 breaths/min  1    17–18 breaths/min  2    >18 breaths/min  3  Rectal temperature  36.9–38.5°C  0    36.4–36.9°C or 38.5–39.0°C  1    35.9–36.4°C or 39.0–39.5°C  2    35.4–35.9°C or 39.5–40.0°C  3  Digestive sounds  Normal motility  0    Decreased motility  1    No motility  2    Hypermotility or steelband  3  Behavior      Posture (weight distribution,  Stands quietly, normal walk  0  comfort)     Occasional weight shift, slight muscle tremors  1    Non‐weight bearing, abnormal weight distribution  2    Analgesic posture (attempts to urinate)
From page 56...
... A Review of Methods for Detecting Soreness in Horses  TABLE 3‐1 Score Sheet for the EQUUS‐COMPASS Composite Pain Scale   Data  Categories  Score  Head movements  No evidence of discomfort, head straight ahead for the most part  0    Intermittent head movements laterally/vertically, occasional looking at flank  1  (1–2 times/5 min) , lip curling (1–2 times/5 min)
From page 57...
... New and Emerging Methods, Approaches, and Technologies for Detecting Pain and Its Causes  TABLE 3‐2 Obel Laminitis Grades for Rating a Horse's Withdrawal from Pressure/Palpation of Localized Area   Grade  Behavioral Description  Normal   Horse appears sound  Obel grade I  At rest, the horse shifts its weight between the forelimbs; the horse is sound at the walk, but the gait is stilted at the trot in a straight line and on turning  Obel grade II  The gait is stilted at the walk and the horse turns with great difficulty, but one forelimb can be lifted  Obel grade III  The horse is reluctant to walk, and one forelimb can only be lifted with great difficulty  Obel grade IV  Horses express marked reluctance or absolute refusal to move  SOURCE: Adapted from Meier et al. (2019) .    inspectors evaluate a horse's gait while it is walking on a straight line and turning in accordance with 9  C.F.R. § 11.21 9(a)
From page 58...
... A Review of Methods for Detecting Soreness in Horses  TABLE 3‐3 Facial Features of Horses in Pain                                                Pain Expression  Facial Features  Gleerup et al. (2015)   Dalla Costa et al. (2014)
From page 59...
... New and Emerging Methods, Approaches, and Technologies for Detecting Pain and Its Causes    FIGURE 3‐1 Horse Grimace Scale. Score is the sum of six features, rated as not present (0) , moderately present (1)
From page 60...
... A Review of Methods for Detecting Soreness in Horses  The CPS is a multifactorial scale that includes physiological measures, spontaneous behaviors, and  evoked responses to stimuli (Table 3‐1) . Each of the 13 items is assigned a score from 0 to 3, giving a total  pain score ranging from 0 (no signs of pain)
From page 61...
... New and Emerging Methods, Approaches, and Technologies for Detecting Pain and Its Causes  Finding 3‐6: DQPs are directed to observe the horse for responses to pain during the inspection process  in 9 C.F.R. § 11.21. Some information about behavioral indicators of pain appear in the APHIS training  material for DQPs. However, the training material lists "abnormal reactions of the eye, ears, and head in  response to palpation." The term "abnormal" is unnecessarily vague, given that specific facial expressions  indicative of pain have been described in clinical research literature.     Finding 3‐7: Pain can be detected accurately and consistently when it is assessed using physical, physio‐ logical, and behavioral parameters that are based on validated clinical scales.    Finding 3‐8: Clinical research in horses under veterinary care for laminitis and orthopedic injuries has con‐ firmed  that  pain  assessment  using  the  withdrawal  response  to  palpation  is  an  accurate  and  reliable  method for identifying pain, with very high agreement between raters.       TABLE 3‐4 Score Sheet for the Equine Utrecht University Scale for Facial Assessment of Pain (EQUUS‐FAP)  Scale  Data  Categories  Score  Head  Normal head movement; interested in environment  0  Less movement than normal  1  No Movement  2  Eyelids  Opened eyelids; sclera can be seen in case of eye/head movement  0  More opened than normal or tightening of eyelids. An edge of the sclera can be seen for  1  50% of the time    Obviously more opened eyes or obvious tightening of eyelids. Sclera can be seen more  2  than 50% of the time  Focus  Focused on environment  0  Less focused on environment  1  Not focused on environment  2  Nostrils  Relaxed  0  A bit more opened than normal  1  Obviously more opened than normal; nostril flaring and possibly audible breathing  2  Corners mouth/lips  Relaxed  0  Lifted a bit  1  Obviously lifted  2  Muscle tone head  No fasciculations  0  Mild fasciculations  1  Obvious fasciculations  2  Flehmen and/or yawn  Absent  0  Present  2  Teeth grinding and/or  Absent  0  moaning  Present  2  Ears  Position: Orientation  toward sound; clear response with both ears or ear closest to source  0  Delayed or reduced response to sound     Position: backwards or no response to sound  1  2  Total  18  SOURCE: van Loon and Van Dierendonck (2017, supplementary table S1)
From page 62...
... A Review of Methods for Detecting Soreness in Horses    FIGURE  3‐3  Photographs  captured  from  videotaped  standing  inspections  by  designated  qualified  persons  before  (left)  and during (right)
From page 63...
... New and Emerging Methods, Approaches, and Technologies for Detecting Pain and Its Causes  TABLE 3‐5 Behavioral Assessment Scales Basis, Pros, and Cons   Scale (author)    Assessment Basis   Pros   Cons   Composite Pain Scale (Bussieres  Identification of flexor  NWR is reliably elicited by    et al., 2008)
From page 64...
... A Review of Methods for Detecting Soreness in Horses  TABLE 3‐5 Continued  Scale (author)    Assessment Basis   Pros   Cons   Equine pain face (Gleerup et al.,  Burning pain induced  Experimental study with  Inter‐rater reliability, sensitivity,  2018)
From page 65...
... New and Emerging Methods, Approaches, and Technologies for Detecting Pain and Its Causes  inconsistent application of technique than from the validity of the pain assessment procedure itself. An‐ other factor might be conflict of interest, which the USDA OIG 2010 audit found was an influence on how  DQPs conducted inspections.     PHYSIOLOGICAL ASSESSMENT OF PAIN    Physiological measurements have been used extensively in assessing pain in horses and humans,  both in clinical practice and in applied research. The factors that are measured include, but are not limited  to, heart rate and heart rate variability, respiratory rate, body temperature, ocular temperature, blood  pressure, and various  endogenous substances such as beta‐endorphins,  cortisol, serotonin, dopamine,  substance P, and oxytocin. This section includes a discussion of physiological parameters that are used to  assess or indicate pain as well as of the biomarkers and noninvasive techniques that have been explored  for their utility in pain and stress assessment. To the committee's knowledge, these parameters are not  currently included in the TWH inspection process and may warrant further investigation for such a pur‐ pose.    Physiological Parameters as Indicators of Pain and Stress    The advantages of physiological values over other methods to assess pain are that they are objective,  are noninvasive, and can be measured relatively easily and repeatably. Heart rate, respiratory rate, and  temperature are routinely measured during a physical exam; endogenous substances can be measured  from blood samples. Heart rate variability, ocular temperature, and blood pressure measurements require  specialized equipment and are therefore not routinely measured during a physical exam, but they are  frequently included as part of research on the physiology of pain and stress. The major disadvantages of  these measurements are: (1)  they have been shown to have low specificity for pain (Rietmann et al., 2004)
From page 66...
... A Review of Methods for Detecting Soreness in Horses  cortisol levels are used as a biomarker for the stress response (Coetzee et al., 2008) . Interestingly, vocali‐ zation by calves during the procedure was significantly correlated with levels of SP but not with cortisol  levels. In another study, serum SP was found to be higher in dogs with fractures or medial patella luxation  than in healthy controls that underwent the same clinical procedures (Yoon et al., 2019)
From page 67...
... New and Emerging Methods, Approaches, and Technologies for Detecting Pain and Its Causes  Finding 3‐13: Ocular thermography has been shown to discriminate between pain and distress in calves  undergoing castration. It has also been used to quantify stress in horses during athletic performance and  in horses that wear tight nosebands.    Conclusion 3‐7: The show environment and other conditions during inspections may cause physiological  changes in horses that mirror those seen in pain, thus limiting utility of physiological parameters to help  detect if a horse is experiencing soreness.    Conclusion 3‐8: Although often included as predictors in composite pain scales to bolster their validity  and reliability, physiological parameters are not meant to be used in isolation to detect pain, but instead  should be integrated with other measures in a multimodal approach.    Conclusion 3‐9: The potential of ocular thermography to help differentiate between pain and stress in  TWHs and its utility in detecting soreness warrant further investigation.     CLINICAL ASSESSMENT OF PAIN     Pain recognition in horses is complex and typically involves a multimodal approach including obser‐ vational and objective measures, visual inspection for signs of trauma and an antalgic stance, changes in  facial expressions captured in composite pain scales (see section on Behavioral Assessment of Pain in this  chapter) , physiological parameters (see section on Physiological Assessment of Pain in this chapter)
From page 68...
... A Review of Methods for Detecting Soreness in Horses  pain behavior makes remote observation via video recordings ideal, but this is not possible at horse shows.  Interactions with handlers, spectators, and other horses and simply being in the foreign environment of  an  equestrian  competition  will  all  alter  a  horse's  behavior  and  potentially  mask  signs  of  pain.  A  visual  inspection for signs of pain should include an assessment of general demeanor and posture. Signs of pain  are nonspecific and may include (but are not limited to)  excessive quietness or restlessness, low head  carriage, weight shifting, pointing a front limb or resting a hind limb, standing hunched over or camped  out,  and  looking  at  a  painful  area.  Other  signs  may  include  bruxism  (grinding  of  teeth)
From page 69...
... New and Emerging Methods, Approaches, and Technologies for Detecting Pain and Its Causes  Gait Analysis -- Kinematics, Kinetics    Another key factor in determining a horse's fitness to compete safely is the confirmation of the ab‐ sence of lameness, or pain causing an irregular gait (Adams, 2015) . In most official equestrian competi‐ tions, including racing, this is done by careful inspection of the horse at trot in a straight line, on a loose  lead, and in hand and by observing for asymmetric head, limb, and pelvic movements. Veterinarians use  subjective lameness grades, most commonly the five‐point American Association of Equine Practitioners  (AAEP)
From page 70...
... A Review of Methods for Detecting Soreness in Horses  Recommendation 3‐2: To help improve accuracy of soreness detection, the horse inspector should ensure  that custodians are following guidelines that prohibit stewarding while the horse is being inspected, and  should closely monitor horse custodians for violations.     Recommendation 3‐3: Pain assessment using facial expressions is a new area of research, and scientific  investigations of these methods have not been performed in TWHs. However, evidence supports the use  of facial expressions of pain as supplemental information, if video is available to review or if a second  inspector is present.    Recommendation 3‐4: To improve consistency across inspectors, science‐based information about be‐ havioral and facial indicators of pain in horses should be incorporated into inspectors' training.     Recommendation 3‐5: Research is needed to study validity and potential utility of using facial grimace for  assessing  pain  in  TWHs  and  to  distinguish  pain  from  other  sources  of  distress.  To  accomplish  this,  re‐ searchers could, under show conditions, apply new clinical pain assessment technologies and score the  horse's behavior and facial expressions during the inspection. Facial expressions of pain are expected to  correlate with findings from other currently used methods to detect soreness, such as palpation. For this  purpose, it is important to capture the horse's head in the inspection videos.     Recommendation 3‐6: The decision to disqualify a horse due to soreness should be driven by an experi‐ enced veterinarian, such as a VMO, and should be based on diagnosis of local pain detected on palpation   but should also include a more thorough gait or lameness assessment to identify other sources of pain.  Signs  of  pain  that  should  be  observed  include  excessive  quietness  or  restlessness,  low  head  carriage,  weight shifting, pointing a front limb or resting a hind limb, standing hunched over or camped out and  looking at a painful area, bruxism, sweating, and muscle fasciculations.     REFERENCES     Adams,  S.  B.  2015.  The  lameness  examination  in  horses.  https://www.merckvetmanual.com/musculoskeletal‐  system/lameness‐in‐horses/the‐lameness‐examination‐in‐horses (accessed July 31, 2020) .  Allweiler,  S.  2020.  Recognizing  and  assessing  pain  in  animals.  https://www.merckvetmanual.com/special‐pet‐  topics/pain‐management/recognizing‐and‐assessing‐pain‐in‐animals (accessed July 20, 2020)
From page 71...
... New and Emerging Methods, Approaches, and Technologies for Detecting Pain and Its Causes  Dalla Costa, E., D. Stucke, F. Dai, M. Minero, M. C. Leach, and D. Lebelt. 2016. Using the Horse Grimace Scale (HGS)   to assess pain associated with acute laminitis in horses (Equus caballus)
From page 72...
... A Review of Methods for Detecting Soreness in Horses  Kennedy, D. L., H. I. Kemp, D. Ridout, D. Yarnitsky, and A. S. Rice. 2016. Reliability of conditioned pain modulation: A  systematic review. Pain 157(11) :2410–2419.  Koolhaas,  J.  M.,  and  C.  G.  Van  Reenen.  2016.  Interaction  between  coping  style/personality,  stress,  and  welfare:  Relevance for domestic farm animals. Journal of Animal Science 94:2284–2296.  Koolhaas, J. M., S. M. Korte, S. F. De Boer, B. J. Van Der Vegt, C. G. Van Reenen, H. Hopster, I. C. De Jong, M. A. W.  Ruis,  and  H.  J.  Blokhuis.  1999.  Coping  styles  in  animals:  Current  status  in  behavior  and  stress‐physiology.  Neuroscience & Biobehavioral Reviews 23(7)
From page 73...
... New and Emerging Methods, Approaches, and Technologies for Detecting Pain and Its Causes  Roepstorff, L., A. Egenvall, M. Rhodin, A. Byström, C. Johnston, P. R. Van Weeren, and M. Weishaupt. 2009. Kinetics  and kinematics of the horse comparing left and right rising trot. Equine Veterinary Journal 41(3) :292–296.  Sator‐Katzenschlager, S. 2014. Pain and neuroplasticity. Revista Médica Clínica Las Condes 25(4)

Key Terms



This material may be derived from roughly machine-read images, and so is provided only to facilitate research.
More information on Chapter Skim is available.