Bem, eu mesmo encontrei uma solução. Um pouco diferente, mas para o meu propósito é ainda melhor e torna algumas coisas mais simples. Vou precisar apenas de valores não negativos. Portanto, primeiramente eu crio um array lógico de células, que são não nulas.
function output = createMatrixFromFrames(inputFrames, roiFrame)
numberOfFrames = length(inputFrames);
logicalRoiArray = roiFrame~=0;
output = inputFrames(1).img(logicalRoiArray)
for frameIndex = 2:numberOfFrames
output = [output inputFrames(frameIndex).img(logicalRoiArray)];
end