En thérapeutique, la CAO s'applique aussi bien à la chirurgie des tissus mous (chirurgie digestive et viscérale, chirurgies urologique et cardiaque) qu'en orthopédie. Dans la chirurgie des tissus mous, les procédures mini-invasives ont permis de grands progrès, mais elles requièrent encore la présence d'un assistant au chirurgien, les déplacements des instruments sont limités et l'opérateur doit se contenter de la vision bidimensionnelle que lui offre l'endoscope introduit dans le corps du malade. La CAO vise à réduire ces difficultés techniques grâce à un bras articulé à commande vocale, porteur d'une optique permettant des images en trois dimensions, et aux deux bras manipulateurs d'instruments (en l'occurrence le système Zeus et son concurrent – lui aussi américain – da Vinci, mis au point par la société Intuitive Surgical).

En chirurgie cardiaque ont ainsi été accomplis plusieurs pontages coronariens. Les pionniers au niveau mondial en ont été au printemps 1998, à l'hôpital Broussais (Paris), le professeur Alain Carpentier et le docteur Didier Loulmet. Ils ont effectué le prélèvement de l'artère mammaire interne, puis l'ont utilisée pour irriguer le muscle cardiaque, en court-circuitant les artères coronaires bouchées. La même équipe a également réalisé des fermetures de communications anormales entre les deux oreillettes du cœur, ainsi que le remplacement de quatre valves mitrales. À la fin de l'année 2001, le professeur Villemot et ses collaborateurs (CHU de Nancy) avaient eux aussi déjà pratiqué des pontages coronariens sans ouverture du thorax chez dix patients après plus d'un an de préparation.

Les urologues y ont également eu recours pour disséquer des ganglions lymphatiques du pelvis, pour effectuer une ablation complète de la prostate ou encore celle d'un rein. C'est en particulier le cas de l'équipe du professeur Guy Vallancien, à l'Institut mutualiste Montsouris, un hôpital privé parisien participant au service public, et des professeurs Mangin et Hubert (CHU de Nancy). Enfin, les chirurgiens digestifs, comme le professeur Marescaux mais aussi l'équipe nancéenne des professeurs Boissel et Bresler, ont notamment réalisé des ablations de la vésicule biliaire et certaines interventions sur l'estomac. Pour les chirurgiens orthopédiques, l'apport essentiel de la CAO est de les aider à se conformer avec une plus grande précision à la planification préopératoire qu'avec la méthode traditionnelle. Ils disposent de deux robots, Caspar (pour « Computer Assisted Surgical Planning and Robotics ») et Robodoc. Nécessitant la pose avant l'opération elle-même de vis servant de repères, le robot Caspar sert à l'implantation de tiges fémorales dans le cadre de la pose d'une prothèse totale de hanche ou encore à la réparation chirurgicale d'une rupture du ligament croisé antérieur du genou. Robodoc, qui ne nécessite pas la pose de vis repères, est utilisé pour la révision des prothèses de hanche. Les deux systèmes sont également applicables à la pose de prothèses du genou. Certains instruments utilisés en chirurgie orthopédique assistée par ordinateur ont commencé à être employés dans d'autres domaines. C'est le cas d'un microrésecteur dont peuvent se servir des chirurgiens ORL, soit pour la chirurgie des sinus, qui s'effectue au contact de zones sensibles (orbite oculaire, nerf optique, artère carotide interne, méninges, etc.), soit pour celle de l'oreille.

La navigation chirurgicale

La CAO autorise ce qu'on appelle la navigation chirurgicale

La CAO est utilisée à différents temps opératoires. Elle permet tout d'abord l'aide au diagnostic et la préparation de l'intervention. À partir de leur plate-forme, les chirurgiens peuvent acquérir des données anatomiques en provenance de toutes sortes de sources d'imagerie (scanner, imagerie par résonance magnétique, échographie, etc.) et reconstruire un modèle tridimensionnel. Il est alors possible d'explorer cette représentation virtuelle et de réaliser des simulations préalables. Le chirurgien va ainsi pouvoir simuler les mouvements du robot dans la zone opératoire pour vérifier que ce dernier pourra évoluer correctement. De même, l'opérateur répète les gestes qu'il aura à accomplir et détermine ceux qui seront les mieux adaptés.