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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur automatischen Strahlungsregelung für die Aufnahme eines Röntgenbildes mit einem Flachbilddetektor gemäß dem Patentanspruch 1 und ein Röntgensystem mit einem Flachbilddetektor gemäß dem Patentanspruch 14.
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In der digitalen Röntgenbildgebung sind Röntgendetektoren, insbesondere Flachbilddetektoren, mit aktiven Auslesematrizen mit direkter oder indirekter Konversion der Röntgenstrahlung bekannt. Ein solcher Flachbilddetektor basiert auf einer aktiven Auslesematrix, z. B. aus amorphem Silizium (a-Si), der eine Röntgenkonverterschicht oder Szintillatorschicht, z. B. aus Cäsiumjodid (CsI), vorgeschichtet ist. Solche Flachbilddetektoren sind zum Beispiel aus „Flachbilddetektoren in der Röntgendiagnostik” von M. Spahn, V. Heer, R. Freytag, veröffentlicht in der Zeitschrift Radiologe 43, 2004, Seite 340 bis 350, bekannt.
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Bei einem Röntgendetektor mit indirekter Konversionsschicht wird die auftreffende Röntgenstrahlung zunächst in der Szintillatorschicht in sichtbares Licht gewandelt. Die aktive Matrix ist in eine Vielzahl von Pixel-Ausleseeinheiten mit Photodioden unterteilt, welche Photodioden dieses Licht wiederum in elektrische Ladung umwandeln und ortsaufgelöst auf ihrer Elektrode speichern. Die gespeicherte elektrische Ladung wird anschließend über ein aktives Schaltelement, zum Beispiel einen Transistor, der Pixel-Ausleseeinheit mit einer dedizierten Elektronik ausgelesen, um anschließend weiterverarbeitet zu werden.
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Bei medizinischen Röntgeneinrichtungen ist es notwendig, die Dosis der Strahlung, die den zu untersuchenden Patienten trifft, möglichst genau zu regeln. Hierzu dient üblicherweise eine automatische Dosisregelung (Automatic Exposure Control), bei der entweder die auf den Röntgendetektor auftreffende Strahlungsdosis oder die hinter dem Röntgendetektor noch vorhandene, nicht absorbierte Strahlungsdosis gemessen wird. Mit Hilfe dieses Messwertes wird dann der Generator der zugehörigen Röntgenquelle geregelt. Dabei wird meist die Dauer des abgegebenen Röntgenpulses variiert.
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Für eine solche automatische Dosisregelung werden zum Beispiel Ionisationskammern verwendet, die vor dem Röntgendetektor angeordnet ist. Derartige Ionisationskammern liefern ein vom Grad der absorbierten Strahlungsdosis abhängiges Ausgangssignal, das den Generator steuert. Aus der
DE 103 13 602 A1 ist eine Vorrichtung zur Messung einer Strahlendosis basierend auf einer ein Ausgangssignal liefernden organischen Dünnfilm-Diodenstruktur bekannt, welche lediglich wenige um dick ist und zudem besonders röntgentransparent ist.
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Bekannt sind zudem Dosismessvorrichtungen, die hinter dem Röntgendetektor angeordnet sind und die die verbleibende Röntgenstrahlung absorbieren indem sie zum Beispiel ein elektrisches Signal erzeugen, das wiederum zur Regelung eingesetzt wird.
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Außerdem ist es bekannt, zur Verbesserung von Röntgenparametern vor der Aufnahme des eigentlichen Röntgenbildes ein kurzes Vorabbild aufzunehmen, um zum Beispiel die Position des Untersuchungsobjektes zu ermitteln und das Aufnahmefeld entsprechend anzupassen.
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Überdies wird in
DE 101 64 170 A1 ein Verfahren zur automatischen Belichtungssteuerung beschrieben. Bei dem Verfahren wird zuerst ein Vorbelichtungsbild erstellt und aus dem Vorbelichtungsbild wird eine optimale Röntgendosis und Belichtungszeit berechnet.
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In
DE 10 2005 018 341 A1 wird ein Verfahren zum Erzeugen eines Röntgenbilds beschrieben, wobei auf der Grundlage gemessener erster Signale eine zur Erzeugung des Röntgenbilds erforderliche zweite Dosisleistung berechnet wird.
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In
DE 199 34 980 A1 wird eine Röntgendiagnostikeinrichtung beschrieben, welche eine Matrix aus lichtempfindlichen Pixelelementen umfasst. Zusätzlich umfasst die Röntgendiagnostikeinrichtung eine Rückseitenbeleuchtung der aktiven Matrix, welche zur Homogenisierung des Ausgangssignals der Sensoreinheit eingesetzt wird.
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In
US 6 594 339 B1 wird ein Röntgensystem beschrieben, welches vor einer Röntgenbildaufnahme ein Testbild mit einer niedrigen Röntgendosis erzeugt. Auf Basis des Testbilds wird eine Röntgendosis für die eigentliche Bildaufnahme berechnet.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein beschleunigtes Verfahren zur Aufnahmeregelung bei digitalen Flachbilddetektoren und ein Röntgensystem mit einem Flachbilddetektor zu schaffen, welche unter Berücksichtigung des Untersuchungsobjekts eine besonders gute Bildqualität eines aufzunehmenden Röntgenbildes ermöglichen.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zur automatischen Strahlungsregelung für die Aufnahme eines Röntgenbildes mit einem Flachbilddetektor gemäß dem Patentanspruch 1 und durch ein Röntgensystem mit einem Flachbilddetektor gemäß Patentanspruch 13; vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind jeweils Gegenstand der zugehörigen Unteransprüche.
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Die Erfindung geht aus von der Erkenntnis, dass bei digitalen Flachbilddetektoren die Pixelsignale der Pixel-Ausleseeinheiten, welche Pixelsignale im Allgemeinen als Grauwerte gemessen werden und direkt aus der empfangenen elektrischen Ladung erhalten werden, direkt zur Aufnahmeregelung verwendet werden können. So kann durch eine Analyse der Pixel-Signale eines Vorlaufbildes und durch eine Extrapolation der während des Vorlaufbildes empfangenen elektrischen Ladung auf ein für ein optimales Röntgenbild notwendig zu erzielendes Pixel-Signal die für das optimale Röntgenbild notwendige Elektrizitätsmenge ermittelt werden. Der Flachbilddetektor kann die notwendige Elektrizitätsmenge intern zum Beispiel mittels einer Verarbeitungseinheit besonders schnell und einfach berechnen, wenn ihm die Expositionsdauer und die Strahlungsmenge des Vorlaufbildes bekannt sind, und kann die Daten direkt an einen die Röntgenquelle betreibenden Generator oder eine Systemsteuerungseinrichtung weiterleiten.
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Unter der Elektrizitätsmenge wird in der Aufnahmetechnik das Produkt aus Belichtungszeit und Röhrenstrom (in mAs; engl. selected charge) verstanden, siehe z. B. H. Morneburg, Bildgebende Systeme für die medizinische Diagnostik, Publicis MCD Verlag, 3. Auflage 1995, Erlangen, S. 275 oder (engl.) A. Oppelt, Imaging Systems for Medical Diagnostics, Publicis Corporate Publishing, 2005, Erlangen, S. 301.
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Das für die Aufnahmeregelung auszuwertende Vorlaufbild, also vor allem dessen auszulesendes Messfeld, wahlweise auch dessen Röntgenpulsdauer, werden dabei erfindungsgemäß direkt an das Untersuchungsobjekt angepasst. Dies kann nach einer Ausführung der Erfindung automatisch anhand des jeweils aktuell ausgewählten Organprogramms erfolgen. Durch diese Anpassung bereits des Vorlaufbildes ist es möglich, die Parameter für das aufzunehmende Röntgenbild besonders gut auf das Untersuchungsobjekt abzustimmen, da nur für das spätere Röntgenbild relevante Bereiche hinsichtlich der Bestimmung der notwendigen Elektrizitätsmenge ausgewertet werden. Die Folge ist eine besonders gute Qualität des Röntgenbildes.
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Beispielsweise wird bei der Aufnahme von Röntgenbildern des Schädels als Messfeld nur ein zentraler Bereich des Flachbilddetektors ausgewertet, auf dem der Schädel tatsächlich angeordnet ist; Randbereiche sind in dem Messfeld nicht enthalten, da hier eine Auswertung ein falsches Ergebnis erzielen würde, wenn der Schädel dort nicht angeordnet ist.
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Erfindungsgemäß ist der Röntgendetektor vom Aufnahmeanfang des Vorlaufbildes bis zum Aufnahmeende des Röntgenbildes durchgehend röntgensensitiv, d. h. das so genannte Röntgenfenster dauert vom Aufnahmeanfang des Vorlaufbildes bis zum Aufnahmeende des Röntgenbildes. Auf diese Weise sind keine zusätzlichen Moduswechsel notwendig, was zu einer Steigerung der Geschwindigkeit des Verfahrens führt Nach einer Ausführung der Erfindung wird die aktive Matrix während der Aufnahme des Vorlaufbildes durch eine Rückseitenbeleuchtung rückseitig beleuchtet. Hierdurch wird das so genannte Ghosting und es werden Artefakte in dem Vorlaufbild reduziert. Durch ein Vorlaufbild verbesserter Qualität kommt es auch zu einem exakteren Ergebnis für die notwendige Elektrizitätsmenge und damit letztendlich zu einem verbesserten Röntgenbild.
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Bei einer besonders bevorzugten Ausführung werden bei der Erzeugung des Vorlaufbildes jeweils gruppenweise mehrere benachbarte Bildpixel unter Bildung eines gemeinsamen Bildpunkts zusammengefasst. Durch das Zusammenfassen, beispielsweise durch gemeinsames Auslesen, einzelner Pixel zu Gruppen von z. B. 2×2, 3×3 oder 10×10 Pixel wird die Auflösung reduziert und somit die Größe der Bildmatrix verringert. Dadurch wird sowohl die Rechenzeit verkürzt als auch das Signal-zu-Rausch-Verhältnis in dem Vorlaufbild verbessert.
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Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird die notwendige Elektrizitätsmenge an eine Steuerungseinheit eines den Flachbilddetektor und eine Röntgenquelle steuernden Röntgensystems übermittelt wird, so dass diese mit dieser Information die Aufnahme eines Röntgenbildes ansteuern kann. In vorteilhafter Weise wird anschließend an die Ermittlung der notwendigen Elektrizitätsmenge ein Röntgenbild aufgenommen, für das das Produkt aus der Strahlenmenge und der Expositionsdauer gleich der notwendigen Elektrizitätsmenge ist.
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Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird das Vorlaufbild während eines ersten Röntgenpulses, dessen Dauer in Abhängigkeit von dem jeweiligen Untersuchungsobjekt eingestellt wird, aufgenommen. Die Dauer des ersten Röntgenpulses beträgt vorzugsweise zwischen 5 ms und 50 ms. Vorteilhafterweise wird anschließend das Röntgenbild während eines zweiten Röntgenpulses aufgenommen. Zwischen dem ersten und dem zweiten Röntgenpuls findet die Ermittlung der notwendigen Elektrizitätsmenge statt.
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In vorteilhafter Weise wird das Ziel-Pixelsignal abhängig von dem jeweiligen Untersuchungsobjekt, insbesondere anhand des jeweils aktuell ausgewählten Organprogramms, automatisch eingestellt. Das Ziel-Pixelsignal kann auf empirisch für derartige Untersuchungsobjekte ermittelten Daten beruhen. Zweckmäßigerweise basiert das Ziel-Pixelsignal jedoch auf dem Wassergleichwert für das jeweilige Untersuchungsobjekt.
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Die Erfindung sowie weitere vorteilhafte Ausgestaltungen gemäß Merkmalen der Unteransprüche werden im Folgenden anhand schematisch dargestellter Ausführungsbeispiele in der Zeichnung näher erläutert, ohne dass dadurch eine Beschränkung der Erfindung auf diese Ausführungsbeispiele erfolgt; es zeigen:
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1 einen erfindungsgemäßen Flachbilddetektor zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens;
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2 ein Röntgensystem, dem der erfindungsgemäße Flachbilddetektor gemäß 1 zuordbar ist;
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3 ein einfaches Ablaufdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens;
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4 eine Sensorfläche mit einem abgebildeten Untersuchungsobjekt und einem in Größe und Position davon abhängigen Messfeld;
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5 eine Sensorfläche mit einem weiteren abgebildeten Untersuchungsobjekt und einem in Größe und Position davon abhängigen Messfeld;
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6 eine Sensorfläche mit einem weiteren abgebildeten Untersuchungsobjekt und einem in Größe und Position davon abhängigen Messfeld.
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1 zeigt einen Flachbilddetektor 13, der zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet ist. Zur Umwandlung von auftreffender Röntgenstrahlung in Licht weist der Flachbilddetektor 13 einen Szintillator 1, zur anschließenden Umwandlung des Lichts in elektrische Ladung und zum Auslesen dieser elektrischen Ladung eine aktive Matrix 2 bestehend aus mehreren Pixel-Ausleseeinheiten 3 auf. Zur Stabilisierung befindet sich die aktive Matrix 2 auf einem Glassubstrat. Im Allgemeinen sind die wesentlichen Bestandteile einer Pixel-Ausleseeinheit 3 eine Photodiode und ein Schalttransistor (z. B. ein TFT = Thin Film Transistor). Der Flachbilddetektor 13 kann maximal über eine gesamte Sensorfläche 12 sensitiv gegenüber Röntgenstrahlung geschaltet werden. Es ist jedoch auch möglich, für ein Röntgenbild nur Teilflächen der Sensorfläche sensitiv zu schalten.
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Der Flachbilddetektor weist außerdem ein Rücklichtboard 7, eine Speicher- und Verarbeitungseinheit 8, ein Elektronikboard 5, eine Datenübertragungseinheit 11 und eine Stromversorgungseinheit 10 auf. Das Rücklichtboard 7 ist zum Beispiel aus einer Vielzahl von Leuchtdioden aufgebaut, welche die Rückseite der aktiven Matrix 2 mit Licht bestrahlen können. Die Speicher- und Verarbeitungseinheit 8, welche zumindest ein Speicherelement und ein Rechenelement enthält, ist zur Speicherung ausgelesener Pixel-Signale, also zum Beispiel der aus der jeweiligen Pixel-Ausleseeinheit ausgelesenen elektrischen Ladung, und zur Auswertung der Pixel-Signale im Sinne des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet.
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2 zeigt ein erfindungsgemäßes Röntgensystem zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, dem der Flachbilddetektor 13 gemäß 1 dauerhaft oder temporär zugeordnet ist. Das Röntgensystem weist außerdem als wichtigste Bestandteile eine Röntgenquelle 14 zur Aussendung von Röntgenstrahlung, eine Systemsteuerungseinrichtung 23 zur Steuerung des Röntgensystems, einen Generator 25 für die Versorgung der Röntgenquelle 14, ein Bildsystem 26 zur Be- und Verarbeitung von Röntgenbildern und eine Anzeigeeinheit 27 auf.
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3 zeigt zur Verdeutlichung ein einfaches Ablaufdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens. Dem erfindungsgemäßen Verfahren ist in 2 ein Voreinstellschritt 15 vorgelagert, welcher von einem Benutzer durchgeführt werden kann. In dem Voreinstellschritt 15 stellt der Benutzer, also z. B. der Arzt, ein Organprogramm ein, wobei er das Organprogramm an der Systemsteuerungseinrichtung 23 des Röntgensystems, welche den zugeordneten Flachbilddetektor 13 extern steuert, einstellen kann. Ein Organprogramm ist im Allgemeinen ein Ablaufprogramm für die Aufnahme eines Röntgenbilds, dessen Parameter speziell an das bestimmte Organ angepasst sind. In dem Voreinstellschritt 15 stellt der Benutzer außerdem ein, dass ein aufnahmegeregeltes Röntgenbild erstellt wird.
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Die folgenden Schritte werden automatisch von der Systemsteuerungseinrichtung 23 angesteuert und von dem Flachbilddetektor 13 durchgeführt. In einem ersten Schritt 16 wählt der Flachbilddetektor automatisch das Messfeld, also dessen Lage und Größe in Abhängigkeit von dem Untersuchungsobjekt, in diesem Ausführungsbeispiel in Abhängigkeit von dem vorgegebenen Organprogramm. Als Messfeld kann auch die gesamte Sensorfläche 12 verwendet werden, zum Beispiel bei Aufnahmen des kompletten Körpers. Ebenso kann die Dauer des ersten Röntgenpulses des Vorlaufbilds automatisch abhängig von dem Untersuchungsobjekt, insbesondere dem Organprogramm, eingestellt werden. In einem zweiten Schritt 17 nimmt der Flachbilddetektor für die Dauer des ersten Röntgenpulses auf dem Messfeld das Vorlaufbild auf, liest die Pixel-Signale des Vorlaufbildes detektorintern aus und speichert sie zum Beispiel in der Speicher- und Verarbeitungseinheit 8 in Form von Grauwerten. Die Applikation der Röntgenstrahlung für die Dauer des ersten Röntgenpulses wird von der Systemsteuerungseinrichtung 23 gesteuert. Ist der Flachbilddetektor 13 durchgehend röntgensensitiv, so handelt es sich beim Auslesen des Vorlaufbildes um einen Zwischenausleseprozeß.
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In einem dritten Schritt 18 wertet der Flachbilddetektor 13 detektorintern, insbesondere mittels der Speicher- und Verarbeitungseinheit 8, die Pixel-Signale des Messfelds aus und ermittelt, im Allgemeinen durch Berechnung, die für die Aufnahme des Untersuchungsobjekts notwendige Elektrizitätsmenge. Dazu vergleicht er die tatsächlichen Pixel-Signale pixelweise mit einem Ziel-Pixelsignal und berücksichtigt dabei die aktuelle, also für das Vorlaufbild verwendete Elektrizitätsmenge. Unterschiedliche Ergebnisse für verschiedene Pixel-Signale können hinterher gemittelt werden. Die für das Vorlaufbild verwendete Elektrizitätsmenge entspricht dem Produkt aus der applizierten Strahlungsmenge und der Dauer des ersten Röntgenpulses. Diese Daten sind entweder im Flachbilddetektor 13 bereits gespeichert oder werden entsprechend dem eingestellten Organprogramm von der Systemsteuerungseinrichtung 23 übermittelt.
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Das Ziel-Pixelsignal kann auf einem empirischen Wert oder dem Wassergleichwert für ein derartiges Untersuchungsobjekt beruhen. Unter der notwendigen Elektrizitätsmenge wird die Elektrizitätsmenge verstanden, die bei der Aufnahme eines Röntgenbildes für das jeweilige Untersuchungsobjekt zu einer möglichst guten Bildqualität führt.
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In einem Anschlussschritt 19 übermittelt der Flachbilddetektor 13 die notwendige Elektrizitätsmenge dann wieder an das Röntgensystem, also im Allgemeinen an die Systemsteuerungseinrichtung 23 oder direkt an den Generator 25. In einem Aufnahmeschritt 20 wird dann ein Röntgenbild mit der notwendigen Elektrizitätsmenge aufgenommen. Die notwendige Elektrizitätsmenge dient somit zur Bestimmung der Dauer des zweiten Röntgenpulses und der Strahlenmenge des Röntgenbildes. Es kann auch vorgesehen sein, dass die Grauwerte des Vorlaufbildes zu den Grauwerten des Röntgenbildes gezählt werden.
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In 4, 5 und 6 sind beispielhaft verschiedene vom abgebildeten Untersuchungsobjekt 21 abhängige Messfelder 22 auf der Sensorfläche 12 gezeigt. 4 zeigt einen angedeuteten Schädel als abgebildetes Untersuchungsobjekt 21. Ein geeignetes Messfeld 22 für einen Schädel ist zum Beispiel zentral auf der Sensorfläche angeordnet und umfasst nur einen Teil der Pixel-Ausleseeinheiten 3 der aktiven Matrix. 5 zeigt eine Lunge als abgebildetes Untersuchungsobjekt 21 und als Messfeld 22 zwei symmetrisch angeordnete Bereiche der Sensorfläche. 6 zeigt eine Hand als abgebildetes Untersuchungsobjekt 21 und ein exzentrisch auf der Sensorfläche 12 angeordnetes Messfeld 22.
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Die Erfindung lässt sich in folgender Weise kurz zusammenfassen: Zur Verbesserung der Bildqualität ist ein Verfahren zur automatischen Strahlungsregelung für die Aufnahme eines Röntgenbildes mit einem Flachbilddetektor, enthaltend eine aktive Matrix aus mehreren Pixel-Ausleseeinheiten vorgesehen, wobei zunächst ein Vorlaufbild aus einer auf ein erstes Messfeld emittierten Röntgenstrahlung erzeugt wird, welches erste Messfeld mindestens eine Pixel-Ausleseeinheit und maximal alle Pixel-Ausleseeinheiten des Flachbilddetektors umfasst, und wobei die Größe und/oder die Position des Messfeldes auf der aktiven Matrix in Abhängigkeit von dem jeweiligen Untersuchungsobjekt eingestellt werden, anschließend die Pixelsignale des Vorlaufbildes detektorintern analysiert werden und eine zum Erreichen eines Ziel-Pixelsignals notwendige Elektrizitätsmenge detektorintern ermittelt wird.